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導讀

袁嵐峰和諾貝爾獎得主巴里·巴里什對話，解讀引力波。

影片連結：

西瓜影片：

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本影片釋出於2021年11月2

日，觀看量已超百萬

精彩再現：

袁嵐峰：

我們的節目經常有我跟著名科學家的對話，最近我參加了《科學家請回答2021》的系列對談活動，世界頂尖科學家協會與今日頭條幫我聯絡到了一位諾貝爾獎得主巴里·巴里什（Barry C。 Barish），他和另外兩位科學家雷納·韋斯（Rainer Weiss）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne），因為探測到引力波獲得了2017年的諾貝爾物理學獎，實際上我以前就見過他們。2017年12月18日，中國科學技術大學上海研究院舉辦了一場“引力波大會”，邀請這三位諾貝爾獎得主演講，潘建偉作主持人，當時我就在現場，後來把這次經歷寫成了一篇文章，《聽三位諾貝爾獎得主講引力波》，不過當時我並沒有提問，因為我覺得這樣的機會最好留給公眾，專業的科學家有的是機會交流。果不其然，四年後，在第四屆世界頂尖科學家論壇即將召開之際，我要和巴里什教授進行一次深入的對談。四年來，引力波科學取得了很多新進展，但大多數公眾對這個領域仍然感到很神秘。下面，我們就來和巴里什教授連線。

巴里·巴里什：

你好，很高興見到你。

袁嵐峰：

我能很清晰地聽到你說的話，謝謝。

巴里·巴里什：

我期待這次談話。請問你身後巨大的背景圖案是什麼？那些燈。

袁嵐峰：

哦，這個背景圖案其實是我們的中心。中國科學院成立了一個新機構叫科學傳播研究中心。我是該中心的副主任之一。我們認為科學傳播非常重要，所以將它作為訪談的背景圖案。

巴里·巴里什：

不錯，科學教育確實很重要，我非常同意這點。

袁嵐峰：

謝謝，親愛的巴里什教授，非常高興再次見到您。之所以說“再次”，是因為在2017年12月舉行的上海墨子沙龍的引力波大會上我就聽過你們三位的演講。您對那次大會還有印象嗎？

巴里·巴里什：

是的，我記得。當時我剛從瑞典來到上海。當我到達上海的時候，我的手提箱和衣服還沒有到。所以在你們看到我前，我去百貨公司買了一件夾克，正好就是我現在穿的這件。

袁嵐峰：

看來這確實是一次非常有趣的大會。那次會議之後，我寫了一篇科普文章。其中我這樣解釋引力波：物質的運動都是發生在時空之中的。物質好比演員，時空好比這些演員表演的舞臺。普通的波，例如水波、聲波、電磁波都是演員在動而舞臺不動。引力波卻不同，是舞臺本身的運動，所以經常被比作“是空的漣漪”。您覺得這個描述怎麼樣？您會如何向公眾介紹引力波？

巴里·巴里什：

嗯，我認為這是個很好的影象式描述，抓住了正確的區別，即運動的是舞臺而不是演員，但也遺漏了幾個非常重要的要點。這個描述忽略了一個事實，當舞臺運動時，它運動得非常快，以光速運動。舞臺不只是在運動，而且移動得非常非常快，在以光速運動。第二、如果讓我描述引力波，我可能也會這麼說，但我還必須告訴他們，它是以光速運動的，然後第二點是，任何好奇的人其實都想知道是什麼讓舞臺動運的，對嗎？

袁嵐峰：

是的。

巴里·巴里什：

這也應該得到解釋，在廣義相對論中，舞臺的運動是由質量的任何加速度引起的，我們有一個質量而且它在加速，不是以恆定的速度運動，而是加速運動，然後就發出了引力波，所以引力波是由加速的質量產生的，並且以光速運動，然後就像你描述的舞臺一樣運動。所以我打算加上這兩點，加以完善你的描述。

袁嵐峰：

嗯，是的。所以需要強調的是，並不是所有有質量的物質的運動都能產生引力波，有些運動並沒有產生引力波，對嗎？

巴里·巴里什：

是的，產生引力波需要加速度，加速度。或者說加速度是產生引力波的一般原因，如果運動物體，比如繞地球運動的月球，引力拉著它們產生了加速度，因此，它需要物質不是停留在同一個地方，而是被加速了。

袁嵐峰：

是的，像這樣的運動可以產生引力波，但像這樣的就不會產生引力波，對嗎？

巴里·巴里什：

是的。

袁嵐峰：

所以實際上幾乎所有運動， 我們觀察到的大多數運動都會轉化為引力波，但大多數運動產生的引力波我們檢測不到，因為它們太弱了，是這樣嗎？

巴里·巴里什：

是的，我們通常說引力波產生一種力，所以引力波必然來自於某種運動，它產生這種效應，但我們很幸運，因為舞臺形狀改變不大，當引力波根據愛因斯坦的著名論述扭曲空間和時間時，因此如果我們想一想為什麼蘋果會落到地球上，牛頓告訴我們蘋果會落到地球上，而且給出了一個方程式，兩個物體之間的引力與其質量的乘積成正比，與它們距離的平方成反比，但實際上引力對時空的扭曲非常小，這就意味著當引力波引起空間和時間的扭曲或舞臺運動時，扭曲程度不是太大，你可能把它想象成一種諸如鋼棒之類的物質，但它不是，它非常堅硬。幸運的是空間剛好像一種非常堅硬的材料，因為否則，按照廣義相對論，一切物體都會被扭曲，好在它非常微弱，所以我們作為生活在此的人都很幸運，空間的性質是非常堅硬的。但這也造成了一個問題，即我們很難觀測到引力波，所以這有兩面性。

袁嵐峰：

是的。您說的鋼棒讓我想起了約瑟夫·韋伯，韋伯棒【註釋：約瑟夫·韋伯（1919-2000）美國物理學家，提出了用“韋伯棒”探測引力波的方法】，那是最早的探測引力波的裝置，他沒有探測到引力波，但他認為自己探測到了。

巴里·巴里什：

是的，他以為自己發現了引力波，但不幸的是，他是一個非常聰明的人，他確實開創了這個領域，也在技術上有許多聰明的想法，但不幸的是作為科學家我不得不對他有所批判，這是因為科學家最重要的素養之一是持懷疑態度，你必須證明某件事是對的，他想探測到引力波，他想相信它，但不幸的是這使他失去了他本來可能具有的批判態度。

袁嵐峰：

是的。我想好奇的人還會有一個問題，他們會問：什麼在振盪？（引力波）是什麼性質在振盪？

巴里·巴里什：

引力波就像波，都是上下往復運動的。向上時，它會使空間向一個方向扭曲；向下時，它會使空間向另一個方向扭曲。因此，引力波來回運動，在兩個方向上扭曲空間。

袁嵐峰：

是的。

巴里·巴里什：

美國有一種遊樂園，你有時去玩，看到他們有一種鏡子，當你走近這面鏡子時，你會顯得高了不少，然後當你走近下一面鏡子時，你又會顯得胖了不少。

袁嵐峰：

我們這裡也有這種鏡子（哈哈鏡），是的，一種非常滑稽的鏡子。

巴里·巴里什：

所以引力波的效果基本就是讓你在這兩面鏡子之間往返運動，你一會變高，一會變矮，來回往復，你來回往復的速度就是引力波的頻率，具體取決於引力波的頻率。因此，該頻率可能是每秒100次，也可能是每秒兩次，也可能是每秒一千次。對於不同的產生引力波的物理現象，我們會給出不同的往復速度，這有助於我們理解那些可能是引力波的物件。

袁嵐峰：

所以當有引力波存在時，你在某個方向被拉伸，但在另一個方向又被壓縮，對吧？

巴里·巴里什：

是的，對，半個波長後，拉伸和壓縮的方向發生的對換，然後如此反覆。

袁嵐峰：

是的。所以一般來說，面積不會改變，對嗎？

巴里·巴里什：

是的，面積是保持一樣的。

袁嵐峰：

我們是不是應該說是時空的什麼性質在變化，是時空的曲率在變化，對嗎？

巴里·巴里什：

是的，這是因為我描述的一切都像是二維的，但在現實生活中卻是四維的，而不是二維的，扭曲是在三維空間和時間中共同出現的。愛因斯坦把空間時間組合在一起構成四維，他創造了一個德語單詞，時空spacetime，但在英語中，我們把它寫成space-time。當我們在計算機上輸入spacetime這個詞時，詞的下面會顯示波浪線，好像你拼錯了似的，但其實spacetime是一個正確的單詞，表示四維。

袁嵐峰：

是的，時空表示三維的空間加上一維的時間，它們相互融合在一起，是不可能被分開的。

巴里·巴里什：

是的，它們都融合在一起，很難視覺化。

袁嵐峰：

是的。下一個問題是為普通大眾問的，引力波會如何影響我們的未來？例如，有人認為從長遠來看，它只會停留在基礎研究的層面，不會對我們的現實生活造成多大影響，您怎麼看？

巴里·巴里什：

這是一個我有強烈感受的問題。我的生活就是做基礎物理研究，所以這個問題其實等同於基礎研究的價值是什麼。我們做這些研究時，並沒有問自己它們以後可以被用在哪裡。我們做這些研究是為了理解大自然，然而事實證明，理解大自然已經成了一種研製重要裝置的絕佳方法，會對社會產生非常重要的影響，而在進行科學研究的時候，你甚至可能都沒意識到這一點，所以我們不知道引力波研究會不會有用，並不是全部的基礎物理學研究都有用，但我會舉一個例子，也是來自愛因斯坦，對我來說這是一個絕佳的例子，來說明基礎科學如何可能得到回報。

愛因斯坦在1919年提出了引力波以外的其他東西，被他稱為自發輻射【註釋：鐳射的原理其實是受激輻射，而不是自發輻射，巴里什在這裡和下面說的自發輻射都應該理解為受激輻射】，它是鐳射的基礎，這是一種核物理效應，是另一種效應。我們做的關於它的實驗，為了證明它是一個真實的效應，在20世紀50年代後期被重新做了。當時我在美國伯克利讀書時，它演示了自發輻射，自發輻射產生的一種效應，就像連鎖反應。如果你激發了一個，就會激發另一個，它們是關聯的。當時人們根本沒想到，它會有應用。大約10年後，實際上是60年代末，人們開始認識到你可以製造一個裝置，產生高度集中的光束，由於這種關聯特性，正如你剛才說的，你已經猜到了，這就是鐳射。所以鐳射是在一個基本研究的發現之後出現的。鐳射這個詞我不知道你是否知道它是什麼的首字母縮寫，鐳射（LASER）的意思是受激輻射光放大【註釋：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation】，所以受激輻射這個詞是在鐳射這個詞的字母中出現的，這就是鐳射這個詞的來源。現在，對於喜歡經濟學的人來說，這個行業一年大約有300億美元，但鐳射的來源甚至是他們所不瞭解的。當這個來自基礎物理學的東西被製造出來時，人們根本想不到它會有任何用途。

我還要再提一個例子，也是為了顯示這不是完全的偶然。我還要提出第二個例子是我在職業生涯中研究的另一個效應，叫做核磁共振 NMR。磁共振理論上是在世界第二次大戰不久後，由珀塞爾在馬薩諸塞州劍橋市發現的。後續研究以不同的方式研究其不同的變體，20多年後，人們意識到透過核磁共振的原理可以製造一種醫學成像裝置，這種成像裝置在美國被叫作核磁共振成像（MRI）。磁共振成像是當今醫學中最精確的成像裝置，之所以叫磁共振成像是因為人們不喜歡核這個詞。

袁嵐峰：

對，對，人們害怕核這個詞。

巴里·巴里什：

是的，但事實上這是精確的成像，是我們最好的成像裝置。鐳射和核磁共振這兩者源自研究者因純粹的好奇而開展的實驗，就像引力波一樣，並不是我們在基礎物理中學到的所有東西都必然會有應用。但我給出的並不是僅有的兩個例子，如果你做基礎研究而不是僅僅試圖應用它們，你現在就應該知道它很可能會得到回報，不止是每個實驗和發現，但僅僅推動人類知識進步，這本身就會提供給我們意想不到的全新的方法來做事。當然鐳射和核磁共振這兩個例子極好地證明了，現代物理學能夠回報社會。

背景簡介

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袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，中國科學技術大學科技傳播系副主任，中國科學院科學傳播研究中心副主任，科技與戰略風雲學會會長，“科技袁人”節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，中國科普作家協會理事，入選“典贊·2018科普中國”十大科學傳播人物，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（

https：//www。zhihu。com/people/yuan-lan-feng-8

）。

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孫遠