[科普中国]-物理学家张冰：引力波探测意义非凡，但引力波通讯仍遥不可及

11月17-18日，2018年未来科学大奖颁奖典礼暨F2科学峰会在北京盛大举行，80余位世界顶级科学家莅临现场，分享前沿学术成果。腾讯科学有幸邀请到张冰教授进行了独家专访，就引力波与多信使天文学等热点前沿话题进行了解读。张冰 美国内华达大学拉斯维加斯分校物理天文系教授多种天体甚至人体运动都可以产生引力波引力波是时空的涟漪，自2015年LIGO（激光干涉仪引力波天文台）首次探测到引力波之后，引力波这一概念基本认识已经深入人心。但是神奇的引力波究竟是如何产生的呢？张冰教授表示：“不同于偶极辐射的电磁波，引力波是所谓的四极辐射。形象地理解，带电粒子加速即可产生电磁波，但引力波产生不仅需要加速质量，而且加速度本身也要随时间变化。天体中所有两个质量互相环绕的过程（例如双黑洞、双中子星、甚至普通双星）因为加速度方向不断变化，所以自然满足这个条件。引力波的强度决定于并合时两天体的距离与天体质量相对应的黑洞尺度的比值。致密天体的并合可以彼此非常靠近，因此是强引力源。双黑洞并合是最强引力波源，其次是黑洞-中子星并合或双中子星并合。”图注：双黑洞合并产生的引力波此外张冰教授还介绍说，宇宙中单个天体的剧烈过程也有可能产生引力波，例如不对称的超新星爆炸或者不规则星体的自转运动。如果距离地球足够近，就有可能被目前的引力波探测手段接收到。双中子星艺术概念图在生活中很多人类运动，比如体操运动员、武术运动员或者滑冰选手在进行运动时都能产生引力波。但是由于人的质量很小，其身体的致密程度与宇宙间最致密的天体黑洞是完全无法相比的。虽然人类运动能产生引力波，但是是微乎其微，是绝对不能被探测到的。引力波对于多信使天文学具有重要意义关于这一问题，张冰教授举了一个生动的例子来解释：比如说我们过年了放烟花爆竹，我们可以看美丽的烟花，听到爆炸的声音，还可以闻到烟花的气味，这样才能全面感受节日气氛。电磁、引力波和中微子也可以理解成不同感官，就像视觉、听觉和味觉。但这是一个不恰当的比喻。严格意义来讲，对于天体的研究不同的信使实际上是不同物理过程的探针。比如电磁辐射反映的电子的温度或加速过程，中微子反映的是质子或更一般的重子的加速和强子反应的过程，而引力波反映的是中心的能量源的质量不均匀程度及运动的信息。通过多信使（电磁波、中微子、引力波）传递的多种信息，人们对天象就可以有全方位的了解。激光干涉引力波天文台（LIGO）对于引力波探测的灵敏度，张冰教授表示，引力波是时空本身微弱的变化，探测及其困难。目前的探测器几乎已经达到了极限程度。在这样的情况下，能稍微压制一点噪声就对提高探测能力非常有帮助。目前人们正在想尽一切办法抑制各种噪声，包括地震噪声，光散粒噪声，光压噪声，热噪声等等。将探测器隔离，提高激光功率和增加臂长是提高引力波灵敏度的有效手段。另外，引力波探测（如LIGO）必须有至少两台相隔很远的探测器同时运行，这样才能确保信号的天文起源。LIGO两台引力波探测器数据对比引力波探测黑洞具有独特优势张冰教授表示：“传统的黑洞探测实际上并不是直接观测黑洞本身，而是通过看黑洞附近的物质而间接理解黑洞。引力波使我们能够真正观测黑洞本身。黑洞以及引力透镜效应艺术概念图比如说第一例引力波事件之前，人们并不知道30倍太阳质量的黑洞的存在。因为要产生任何的电磁辐射都必须有物质，而黑洞的定义是所有的物质都掉到里面，连光都无法逃出。因此，现在双黑洞并合过程很难有很强的电磁辐射，目前的双黑洞源还没有一个有非常确凿的电磁信号。但是引力波不一样，它是空间本身的波动，探测双黑洞是最有力的。”引力波通讯具有理论可能 目前遥不可及引力波科学最后可能跟技术相结合关于引力波通讯，张冰教授认为只是科幻元素。现阶段的人类文明是完全做不到的。就这个问题张冰教授指出，技术并不是科学的目的，而是科学的最终结果。做科学的过程中不应该直接去想如何实现技术。比如说牛顿概念苹果落地的时候是为了理解引力怎么回事，直到几百年后人们才用他的定律将卫星送上轨道。麦克斯韦、法拉第研究电磁现象只是为了了解电磁作用的原理，也是多年以后人们才发展了无线电的技术。爱因斯坦也是完全从理论的美感出发写下了质能方程，多年以后人们才用他的理论制造出原子弹。对引力波也是一样，目前我们主要关注它的物理机制，对引力波的应用将需要漫长的时间。张冰教授接受采访“引力比起电磁力要弱30多个量级，因此引力波通讯要比电磁波通讯难得多。我们可以做一个思维实验，假如人类操控另外两个地球在地球门前进行擦身环绕运动并产生引力波，这些引力波的强度要比双黑洞合并产生的引力波弱40多个量级。考虑到双黑洞距离比这两个近在眼前的地球远了将近20个量级，对地面探测器来说这些双地球并合的信号还是比我们探测到的黑洞的引力波信号弱了20多个量级。要产生引力波需要大量质量，即使我们倾其所有用了两倍地球质量给出的引力波尚且这样弱，利用地球上的任何质量来进行引力波通讯都是本质上不可能的。那么是不是在遥远的将来人类有可能实现引力波通讯呢？我想成千上万年之后，如果人类文明没有摧毁自己并且高度发展，他们没准儿可以操控特别大的天体，这时候利用引力波才能成为可能。所以这真的是一个非常非常遥远的未来”，张冰教授说。受访人|张冰 美国内华达大学拉斯维加斯分校物理天文系教授，理学院副院长，美国物理学会会士；本文发布前由受访人审稿编辑 | 腾讯科学 宋宇豪文章由腾讯科学“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”