10月24日晚，通识教育部与知行书院联合主办的第39期“通识讲坛”在顺德校区学术会议厅举行。我校生物医学工程学院讲师梁迪聪为同学们带来一场天体物理学讲座《宇宙深处的“窃窃私语”——引力波》。

梁迪聪的讲座从引力波探索的三个阶段开始，讲到引力波承载的天体信息以及引力波的作用，带大家展开一段引力波探索的人类智力和想象力的极限之旅。

爱因斯坦百年前预言引力波存在：时空的涟漪

关于天体力学的探索，从几百年前就开始了。1609-1619年，开普勒发现行星绕太阳运行的规律，并提出了著名的开普勒三定律，他因此也被称为“天空的立法者”。不过，行星为什么按照这个规律运动，开普勒并没有给出答案。

1915年，爱因斯坦提出广义相对论，他天才般地提出了一个新的“引力”构想：引力不是力，而是时空的弯曲！在广义相对论中，时空不再是一个静态的背景，而是一个动态的、可以被物质和能量影响的实体。

1916年，爱因斯坦又提出，当两个大型物体如恒星或行星相互绕行时，它们会在空间中引起涟漪，这种涟漪以波动的形式向外传播，即引力波。爱因斯坦通过数学推导，从场方程推导出引力波方程。他预测引力波会以光速传播，其振幅非常小，可能永远也不会被探测到。

引力波存在的间接证据：发现Hulse-Taylor双星

1974年，罗素·赫尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)使用阿雷西博望远镜在天鹰座天区探测到脉冲信号，并辨认出来源是一种新形式的脉冲星——它是一个双星系统，由两颗中子星组成，其中一颗是脉冲星。这个双星系统被科学界命名为Hulse-Taylor双星。

两个科学家观测发现，Hulse-Taylor双星的脉冲星轨道正在逐渐收缩。他们如此推测这一现象——双星绕转辐射引力波，而引力波从双星系统中带走能量，导致双星轨道衰减。

观测到的Hulse-Taylor双星轨道衰减率与广义相对论预测的引力波导致的能量损失精确一致。这表明引力波确实携带能量，并在双星绕转的过程中辐射到无穷远处。

Hulse-Taylor双星关于引力波携带能量的理论是基于观测事实和广义相对论的推断得出的。这一发现为引力波存在提供了第一个间接证据。

罗素·赫尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)也因此获得了1993年诺贝尔物理学奖。

引力波存在的直接证据：LIGO探测到双黑洞并合释放的引力波

当爱因斯坦预言引力波存在时，同时也预言了它太过微弱，可能无法被探测到。但物理学家们并未放弃寻找引力波存在的直接证据。

突破性设想是Rainer Weiss提出来的，他提出利用激光干涉仪探测引力波导致的固有距离的变化。在美国国家自然科学基金会的资助下，Rainer Weiss、Kip Thorne等物理学家一起投入引力波探测的研究中。他们在华盛顿州的汉福德以及路易斯安那州的利文斯顿（两地相距3002公里）建造了两个4km长的探测器，这样可以通过一致性研究来确认所发现的信号。

根据广义相对论理论，当引力波垂直于干涉仪两臂传播时，两臂会分别伸长和缩短。 Weiss计算了所有可能对实验造成干扰的因素，研究显示，如果干涉仪臂长达到数公里，那么就有可能探测到因引力波弯曲时空而引起的大约10-18m的距离改变量。

LIGO在2002年开始运行，但9年间并没有探测到引力波。2011年开始，科学家们用5年时间对设备进行升级，使其灵敏度提高了10倍。终于，在2015年9月14日第一次探测到了引力波，而这首例被探测到的引力波由距离地球13亿光年的两个黑洞并合产生。

第一例引力波事件在爱因斯坦提出广义相对论100年后，证实了他的最后一个预言。

从第一例引力波事件中我们能了解到什么？

科学家探测到的第一例引力波事件是2015年9月14日由距离地球13亿光年的两个黑洞并合产生的，根据探测时间，被命名为GW150914。

从这一例引力波事件中，我们能了解双星旋近、合并的过程，了解引力波的频率，计算出黑洞的重量、天体距离，了解引力波事件振幅有多强以及了解引力波的波形和影响因素。

引力波有什么用？

讲座最后，梁迪聪提出了一个大多数人好奇的问题：引力波有什么作用？——对航天航空有用吗？能进行太空通信吗？他坦言，引力波到目前为止还没有任何应用价值——因为引力波太微弱了，所以无法承载太空移民的重任；因为人类无法随心所欲地产生一定频率和振幅的引力波，所以用它来通信也不现实。

为什么物理学家对引力波如此着迷呢？

引力波的发现代表了物理学研究上的一个高峰，也引领了天文学的一个新时代，它提供了一种探测宇宙学现象的新方法。

而且它促进了科学的进步，在探索引力波的过程中，人类发明了超小尺度测量的方法，验证了广义相对论等物理学理论。

引力波的发现，还让人们加深了对于引力的认识和了解。科学家们开始探索新的引力理论（即“修改引力理论”）来解释暗物质、暗能量以及宇宙的其他观测现象。这些探索将使我们更深地理解宇宙的本质和引力的基本规律。

讲座结束，同学们就“引力波传播过程中是否会衰减”、“时空的形态”、“如何用引力波解释苹果掉落地面的现象”等问题，和梁迪聪进行了交流。