從牛頓到愛(ài)因斯坦，物理學(xué)家們?nèi)绾尾东@宇宙中的“漣漪”？| 活動(dòng)預(yù)告

剛開(kāi)始從事科研時(shí)，我便被引力波深深吸引——它們是時(shí)空中的“漣漪”，以光速傳播。最初，我的興趣僅限于理解這一概念，但當(dāng)我意識(shí)到引力波竟然真可能被探測(cè)到時(shí)，我的好奇心更加強(qiáng)烈了。我決定投身于引力波探測(cè)器的設(shè)計(jì)與建設(shè)，并在接下來(lái)的幾十年里為此努力，直到2015年，終于首次成功探測(cè)到引力波。

本文我將給大家介紹引力波探測(cè)器LIGO的誕生歷程，講述我和我的學(xué)生如何改進(jìn)它，以及LIGO與其他引力波探測(cè)器為何可能在未來(lái)徹底顛覆我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。

本文作者基普·斯蒂芬·索恩 （Kip Stephen Thorne） 教授，與雷納·韋斯 （Rainer Weiss） 和巴里·巴里什 （Barry Barish） 教授，因?qū)IGO探測(cè)器的決定性貢獻(xiàn)以及引力波的觀測(cè)，共同榮獲2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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LIGO的誕生與發(fā)展

引力波是空間和時(shí)間結(jié)構(gòu)上的“擾動(dòng)” （見(jiàn)圖1） 。當(dāng)宇宙中發(fā)生極端的天文事件，比如兩個(gè)黑洞碰撞時(shí)，它們會(huì)在空間中激起“漣漪”，這些波動(dòng)會(huì)以光速傳播到宇宙的各個(gè)角落。

早在1960年代中期，我就開(kāi)始研究引力波的理論及其來(lái)源。最初，我的目標(biāo)是理解引力波是如何產(chǎn)生的，以及這一過(guò)程如何影響它們的源頭。1969年，我的一位同事約瑟夫·韋伯 （Joseph Weber） 宣布他可能探測(cè)到了引力波 。盡管幾年后明確了韋伯并沒(méi)有真正探測(cè)到引力波，我卻陷入了思考：是否有一種方法可以探測(cè)到這些波，而且成功的幾率很高？如果我們成功了，又能從中獲得什么新的宇宙信息呢？

▲引力波。這是一幅藝術(shù)化展示圖，展示了引力波圍繞著兩個(gè)巨大的、運(yùn)動(dòng)的物體（例如黑洞）如同“漣漪”般在太空中傳播。

讓我最興奮的是有機(jī)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)全新的科學(xué)領(lǐng)域——引力波天文學(xué)，它將成為未來(lái)幾十年，甚至幾個(gè)世紀(jì)里探索宇宙的強(qiáng)大工具。我意識(shí)到，引力波天文學(xué)將為我們打開(kāi)一扇觀察宇宙的全新“窗戶”， 通過(guò)它，我們或許能夠徹底改變對(duì)宇宙運(yùn)行方式的認(rèn)知。引力波探測(cè)的技術(shù)的掌握，讓我們得以研究許多過(guò)去無(wú)法觸及，或無(wú)法充分探索的現(xiàn)象，包括黑洞、超新星的特性，甚至宇宙的起源。

1972年，我的另一位同事雷納·韋斯 （Rainer Weiss） 提出了一種基于激光測(cè)量的新方法來(lái)探測(cè)引力波 [3] 。起初我對(duì)此抱懷疑態(tài)度，但經(jīng)過(guò)三年的討論和研究，我逐漸確信這項(xiàng)技術(shù)是可行的；于是，我決定，作為一名理論物理學(xué)家，我余下的職業(yè)生涯獻(xiàn)給協(xié)助韋斯和他的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家同事們，共同取得成功。憑借我們對(duì)引力波預(yù)期屬性的了解，我們估計(jì)大約20年后，我們就能填補(bǔ)科技和科學(xué)的空白，成功地建立一種有效的探測(cè)技術(shù)。然而，我們最終用40年時(shí)間，才建立了激光干涉引力波天文臺(tái) （LIGO） ，并在2015年首次探測(cè)到了引力波——但這一切努力都是值得的。

通過(guò)引力波探索宇宙奧秘

引力波最令人振奮的地方在于，它們能揭示時(shí)空的本質(zhì)、黑洞的特性與行為，以及那些完全或部分由扭曲時(shí)空構(gòu)成的現(xiàn)象（即“我們宇宙的扭曲面”），甚至是宇宙起源。就我個(gè)人而言，最引人入勝的問(wèn)題之一是：我們宇宙大爆炸的細(xì)節(jié)究竟如何？以及那些主宰大爆炸的、尚未被完全理解的量子引力法則，究竟是怎樣的存在？

量子物理學(xué)告訴我們，某些引力波，至少是引力真空波動(dòng)——來(lái)自大爆炸，并攜帶了關(guān)于大爆炸細(xì)節(jié)的信息。我們很確定，這些原始波動(dòng)（或波動(dòng)）在宇宙早期的極速“膨脹”階段中被大幅放大，產(chǎn)生了足夠強(qiáng)的引力波，預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾十年內(nèi)通過(guò)兩種不同類型的方法捕捉到：LISA的后續(xù)版本，和宇宙微波的偏振。而這些觀測(cè)將為揭示大爆炸的細(xì)節(jié)和量子引力法則發(fā)揮重要作用——盡管可能要等到21世紀(jì)中葉才能實(shí)現(xiàn)。這或許會(huì)開(kāi)啟一場(chǎng)我們對(duì)宇宙理解的新革命。

最后，我想分享一條我小時(shí)候得到的寶貴建議。四歲時(shí)，我的祖父告訴我，如果我長(zhǎng)大后從事的工作能像玩耍一樣，我可能會(huì)獲得很大成功。如果工作像玩一樣，我將全心投入，而這種樂(lè)在其中的努力，會(huì)帶來(lái)豐厚的回報(bào)。我聽(tīng)從了他的建議，選擇了物理學(xué)作為我的職業(yè)。對(duì)我而言，物理學(xué)就像玩耍，我從中獲得了無(wú)盡的樂(lè)趣，也取得了一些成就。所以，我想給你們的建議是：盡量找到一份對(duì)你有意義、你又熱愛(ài)的職業(yè)。這份熱愛(ài)將賦予你無(wú)窮的力量投入到工作中，最終收獲真正的成功。

主講嘉賓：羅俊

中國(guó)科學(xué)院院士

主講嘉賓：陳宇翱

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授

活動(dòng)主題：從牛頓到愛(ài)因斯坦

時(shí) 間：2025年11月17日（周一）16:00-18:00

地 點(diǎn)：

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嘉賓簡(jiǎn)介

羅俊

羅俊，中山大學(xué)原黨委副書(shū)記、校長(zhǎng)、教授。中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，中國(guó)科學(xué)院院士，引力物理專家。主要研究領(lǐng)域?yàn)橐ξ锢砗途苤亓y(cè)量研究，代表性工作有萬(wàn)有引力常數(shù)G的精確測(cè)量、牛頓反平方定律和弱等效原理實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等靜態(tài)引力實(shí)驗(yàn)，并均取得國(guó)際領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中萬(wàn)有引力常數(shù)G值測(cè)量結(jié)果進(jìn)入高中教科書(shū)。精密重力測(cè)量國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目和我國(guó)自主的空間引力波探測(cè)計(jì)劃--“天琴計(jì)劃”首席科學(xué)家。

主辦：上海市浦東新區(qū)南七量子科技交流中心

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬中學(xué)

協(xié)辦：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教育基金會(huì)