编者按：10月3日，2017年诺贝尔物理学奖被授予美国三位科学家Rainer Weiss（雷纳·韦斯）、Kip Thorne（基普·索恩）、Barry Barish（巴里·巴里什），以表彰他们在LIGO检测器和引力波观测的决定性贡献。中国科技工作者之家“科猫”APP曾特邀请中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南教授为我们独家解读：《2017年诺奖：百年现代物理学，今天做了个了断！》
就在今年诺贝尔物理学奖被颁给现实中捕获引力波的三位美国物理学家还余波未息之时，引力波再次引发强烈关注——包括中国紫金山天文台、美国国家航空航天局(NASA)、欧洲南方天文台等全球数十家著名天文机构纷纷在北京时间16日晚10时发布重大消息：人类首次发现双中子星并合引力波，同时探测到其电磁对应体。
重大消息？发现外星人了吗
到底这一吊足全世界胃口的重大消息是什么呢？据报道，北京时间10月16日晚10时，美国国家科学基金会召开新闻发布会，宣布激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件，国际引力波电磁对应体观测联盟发现该引力波事件的电磁对应体。我国第一颗空间硬X射线调制望远镜“慧眼”在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区，对其伽马射线电磁对应体(简称引力波闪)在高能区的辐射性质给出了严格的限制，为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献，相关探测结果发表在报告此次历史性发现的研究论文中。
中国南极天文研究中心主任、中国科学院紫金山天文台研究员王力帆介绍称，自北京时间2017年8月18日21时10分起，即距离引力波事件发生24小时后，中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在中国南极昆仑站运行的第2台望远镜AST3-2，对引力波事件开展了有效观测，此次观测持续到8月28日，获得大量重要数据，并探测到此次引力波事件的光学信号。
什么是引力波
“德国之声”的文章说，在广义相对论中，引力可以用时空弯曲来解释。假设时空就是一张蹦床：一个网球放在蹦床上，它只会静静地停在那里;而如果此时在蹦床上坐着一个人，蹦床就会向下凹陷，网球则会滚向凹陷处，而且越是离得近，滚得越快。网球被这处凹陷“吸引”了。坐在蹦床上的人体重越大，凹陷就越明显，网球就越容易滚向凹陷。
同理，在时空中，引起改变的那个物体质量越大，时空弯曲程度就越明显，产生的“引力”也更大。而在那个人坐上蹦床的那一瞬，蹦床的弯曲会从凹陷中心处向外扩散;此时，如果用高速摄影机观测、并回放慢镜头，会发现这一扩散过程是以波动的形式进行。就好像平静的水面上投一枚石子，会产生一圈圈的涟漪。这就是引力波。引力波产生在物体加速过程中，比如恒星爆炸、黑洞碰撞，都会产生引力波。引力波会引起时空的伸缩、影响时空的结构。
为什么这次的发现要全球一起发布呢？中国科学院国家天文台研究员陈学雷16日对《环球时报》记者表示，LIGO成立了一个联盟，这个联盟所探测到的事件，会把相关信息发给加入联盟的其他机构。这些机构利用自己的望远镜，在探测到一次引力波事件后，希望用这些望远镜去看看能否找到对应的光波。16日晚参加发布的这些机构，它们的望远镜探测到了一些相应的东西。
科学意义有多大
陈学雷表示，因为中子星的质量要比黑洞小很多，要探测中子星产生的事件，在同样距离上需要更高的灵敏度。总而言之，这是一次和上几次引力波事件不完全相同的发现，因此它提供了一种新的天文现象的观测手段。另外，两个黑洞并合的时候，肯定会发出引力波，但并不清楚会不会发出光波，但中子星并合时是比较容易产生光波的，所以这个发现给我们提供了更多信息。关于引力波的观测，目前可用的只有LIGO和Virgo两个探测器，而且也只有很少的一点观测数据，能获得的信息有限。而光波或电磁波的观测一直以来都是天文学家传统的观测手段，放到一起观测给出了很多信息和细节，有助于我们更好地观测引力波。
中科院高能所“百人计划”项目研究员熊少林说，“这是人类第一次同时探测到引力波及其电磁对应体，是引力波天文学极为重要的里程碑，在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义，正式开启了多信使引力波天文学时代。”
研究引力波有什么用
陈学雷认为，引力波从目前来说，作用主要体现在提供了一种供我们深入研究天体物理过程的重要信息来源，无论是两个黑洞并存还是两个中子星并存，到最后阶段，其现象是非常复杂的。一方面有引力场的复杂相互作用，这种相互作用最后也是高度非线性的，时空都可能会发生很剧烈的变化。另一方面，从物理角度讲，除了时空，还有物质，对中子星来说，它里面的物质也是密度非常高的物质，按照一般的模型来说，中子星是由很多高密度的原子核混成一体的，这些原子核大部分都是中子，这样的一些物态在两个中子星碰撞的时候会产生怎样的复杂现象，我们也非常希望了解，通过这些了解甚至也可以深刻地追究宇宙的基本物理规律。现在我们既有了引力波的观测，又有了光学的观测，这为我们提供了很多信息，在未来一段时间内会有很大的发展。星际穿越是科幻小说中的情节，真实情况不一定像小说中那么戏剧化，但可能这里头也有很密切的联系，对这些东西的探求可能会有非常有意思的物理规律。
国际宇航联空间运输委员会秘书长、中国航天科工集团公司二院研究员杨宇光表示，引力波最重要的意义在于，人类从过去到现在所有对自然界的观测，包括天文观测，主要依赖于电磁波，也就是雷达或者光学波段的电磁波对未知世界进行探测。而有了引力波以后我们就对自然界多了一种探测手段，这是一个质的差异。引力波的探测有可能使我们了解到更丰富的有关于黑洞、中子星等等这些天体在发生一些现象和剧烈变化时的时空变化，所以说它对于了解物质世界是非常有用的。
张双南：百年的现代物理学，今天终于做了一个了断！
现代物理学建立的标志当然是一百年前建立的相对论和量子力学。随着量子力学以及基于量子力学的粒子物理标准模型的发展，相关研究在诺贝尔物理学奖历史上获奖层出不尽，相信以后还会有。这些诺贝尔物理学奖标志着量子力学走向了成熟，虽然今后还会发展，但是其正确性已经毋庸置疑。
与此形成鲜明对照的是，广义相对论建立一百年来虽然已经成为了现代物理学的主要部分，而狭义相对论更是和量子力学一起构成了现代物理的两个支柱，但是历史上不但爱因斯坦没有因为相对论而获得诺贝尔物理学奖，后来对于丰富广义相对论而做出了很多贡献的物理学家们也无人因此获得过诺贝尔物理学奖，这和量子力学以及相关的物理学研究的情况相比有天渊之别，这不能不说是物理学史和诺贝奖历史上的一个遗憾！
对引力波的直接探测的历史起于上世纪70年代，今天的LIGO项目的创始人之一Rainer Weiss（雷纳·韦斯）那时候就开始发展激光干涉探测引力波的技术，随后和加州理工学院的Kip Thorne（基普·索恩）以及当时英国格拉斯哥（Glasgow）大学后来加入了加州理工学院的罗纳德·德雷弗（Ronald Drever）合作一起发起了LIGO实验（该实验是美国科学基金会有史以来投资最大的科学项目），历经30多年，终于获得了第一个正科学结果，也就是探测到了引力波！不但这个团队几十年来初心不变，而且资助机构也不离不弃，这绝对是科学史上的奇迹！
因此，2017年的诺贝尔物理学奖授予了LIGO实验直接探测到并且发现了引力波，不但是众望所归，而是也对百年现代物理学做了一个了断！从今往后，扩展广义相对论理论并且发展和量子力学统一的量子引力理论的研究将进入一个新的时代！
虽然这次的诺贝尔物理学奖对百年现代物理的发展做了一个了断，但是这对于引力波探测以及相关领域的研究却仅仅是一个开始。探测到引力波之前，人类对于宇宙的了解只是“看”，但是不能“听”；探测到了引力波，人类从此面对宇宙就不再是聋子了！
引力波将成为科学家进一步探索宇宙和发展科学理论的有力工具。利用进一步的、更加高精度的观测，科学家有望回答黑洞到底是什么—这个连爱因斯坦都非常困惑的“奇点”，能够提供检验有些量子引力理论所需要的观测数据，能够帮助我们了解中子星的内部主要是由中子还是夸克组成的。
除了继续利用LIGO这样的仪器探测引力波之外，空间激光干涉引力波天文台（比如欧洲的LISA项目、中国的太极和天琴计划）将会“听到”完全不同类型的黑洞撞击并合所发出的引力波，这对于我们理解整个宇宙的结构形成和演化都会非常重要。而探测宇宙大爆炸前期的暴胀过程所产生的宇宙原初引力波（比如利用中国的“阿里”原初引力波探测计划），将对于我们理解宇宙的起源起着不可替代的的作用。
此外，未来引力波天文学的一个极为重要的方向就是所谓的“多信使”天文学，也就是不但要“听到”天体发出的美妙的引力波，我们也要“看到”这些天体的倩影！在这个方面，中国在太空和地面的天文望远镜都将能够发挥重要的作用，比如我本人担任首席科学家的慧眼HXMT天文卫星正在太空翱翔，时刻准备着“目睹”引力波发出的时候天体所发出的X射线和伽马射线！
慧眼HXMT于2017年6月15号11：00顺利发射运行。
慧眼HXMT示意图。
