掉到黑洞的时候，人是怎么死的？这取决于你的瑜伽水平

　　金属球和羽毛的落体实验和引力波有什么关系？意大利面又和引力磁又有什么关系？引力波不仅是2015年的大新闻，更是一代又一代物理学家大胆猜测、严谨验证的成果。虽然我们无法亲身前往神秘的宇宙深处，但科学家们却抓住了那远方的信使，让我们有机会探究宇宙未知的奥秘。北京师范大学天文系副教授张帆，将用小实验和风趣幽默的比喻为大家介绍了引力波的相关知识。

　　以下为张帆演讲实录：

　　我很羡慕唐立梅老师，他们能够去南极那么远、那么好的地方，像我们这种搞理论的，只能窝在家里面靠猜，在座的哪位小朋友特别宅的，将来推荐向我们这方向发展。

　　我是北京师范大学天文系的张帆，我们那里有一个叫做引力波宇宙学实验室，我是其中的成员。今天我过来给大家讲一讲关于引力波的事情。

　　首先就是引力波，问一个问题，有多少人已经听说过这件事了：关于2015年已经成功探测到引力波、2017年拿到诺贝尔奖？其中有多少人已经读过无数关于引力波的科普，已经都受不了了？那你是不是已经明白引力波背后的物理机制，觉得再听也是浪费时间？没举手，OK，行，那我今天还能讲。我今天试试做一个实验，看看能不能用图片讲一点背后的物理的机制。

　　引力波是一个什么东西？它是我们所在的时空——时间和空间本身的波动，本身形状的变化，是在爱因斯坦的广义相对论下面才有意义的一个东西，它是验证广义相对论最后一块拼图。

　　原因是什么？要搞明白这个，所以我们必须得要先学习广义相对论。

　　爱因斯坦的相对论，你了解多少？

　　广义相对论小课堂

　　下面五分钟的时间我要讲一讲广义相对论。

　　首先给大家先看一个视频。

　　这是个宇航员，能看得出来他在月亮上是吧？他背后是一个登月舱。他在干什么你们能看得见吗？看不见正好，我再来做一次这个实验。

　　张帆现场演示实验。

　　我现在把这两个球放在同样的高度，它们一个沉一个轻，我让它们同时开始下落，最后认为这个重的先落地的举手，没有人；那我现在换一个羽毛，大家认为同时落下的举手，也没有人。大家生活经验都好丰富。那为什么羽毛没有同时落下？因为羽毛有空气阻力。

　　如果我们到月球上，到没有空气的地方，是不是羽毛和球就应该同时落下了？这个宇航员他右手拿的是一个锤子，左手拿的是一个羽毛，放下的时候，真的是同时落下的。

　　张帆现场演示实验。

　　爱因斯坦在看到比这个在萨斜塔做的实验的时候，想的是它们俩个同时下落意味着什么？意味着这两个东西不论它的质地是怎么样，内部结构是怎么样，它带不带电荷，有任何结构上的区别，引力对它们的作用是完全一样的——同样的加速度，同样落到地上，同样时间落到地上，这一点和其他的力是完全不一样的。

　　爱因斯坦最喜欢做的就是思维实验，因为他穷。大家要知道在早期，人们认为实验物理学是光荣的，是贵族才能干的事情，而理论物理学是穷人在家里YY做的事情。所以最开始的理论物理学家是受歧视的。爱因斯坦做的思维实验是怎么样呢？想象你在一个封闭的空间里面，比如一个电梯间，同时让这两个球下落的时候，它们两个同时砸到地面了。

　　一种可能性是这个电梯间是放在地球上的，这两个球是由于引力的作用加速下降同时落地；另一种情况是电梯间实际上是在宇宙里面，同时有一个宇宙飞船拽着这个电梯间加速向上走，那这两个球也会同步的向下走，同时落在地面上。

　　所以你没有办法区分引力的效果，和一个参照物在加速运动的效果，这个参照物就是你的周围的这个电梯间的墙。

　　爱因斯坦把它拔高到一个更加抽象的角度，说“我把所有其他的力都带进来，把所有可能的实验都囊括进来，我仍然没有办法区分引力和一个加速运动的参照系之间的区别”。这就有一个特别重要的后果了，物理是一门实验科学，在任何实验当中都没办法区分这两个的话，它们就是一样的。所以爱因斯坦当时就得出了一个结论：引力不是力，但是引力体现了的是时空本身的几何结构的弯曲，它是一个弯曲的一个时空。所以换句话说，爱因斯坦的广义相对论把引力几何化了。

　　在广义相对论之下将引力几何化了之后，会有非常有意思的现象，比如说光也会受到影响，它也没办法走直线了。在牛顿的引力下面，光如果没有质量的话是不受引力的，但在广义相对论之下，你就有了这种奇特的叫做引力透镜的现象。

　　黑洞相互旋转产生引力波

　　比如说上面这张图，中间实际上是两个黑洞在互相环绕，这两个黑洞互相环绕的时候扭曲了周围的时空，所以从那些时空里面过来的光，也就是背景的星光，它走的是一个弯曲的路径，就好像这个光在一个透镜里面的效果是一样的，所以你看到所有的东西都已经扭曲了。

　　这张图不是艺术家的想象，当然也不是实景拍摄——实景拍摄的话摄影师早挂了。 它是大型计算机通过理论数值模拟计算出来的。我们发明那么多超级计算机，比如太湖之光，干嘛用的？可以干这个用。计算出来这些时空之后，就可以看那些光究竟在里面怎么走。

　　在有了这个能力之后，人总是要干一些无聊的事情。比如下面这张图。

　　想象你自己站在月球上看地球，在地球和月球之间有一个超光速飞船通过，上面这张图是你看到的情景，其中红点表示超光速飞船。

　　但是它是有问题的——你是没有办法穿过去虫洞，除非有反引力的特别物质在这撑着（让它不会闭合）。我们现在不知道这种物质有没有存在，十有八九不存在。这个也是一样，你需要反引力的物质才能够把这个超光速飞船造出来。所以我才说是无聊的事情，但是好玩。

　　引力波

　　我们知道广义相对论了，那广义相对论跟引力波有什么关系？

　　在广义相对论下面，时空有一个几何形状，那个几何形状取决于物质的分布。地球弯曲了地球周围的空间，所以地球周围的东西才会往下掉；如果地球本身的状态发生变化了，比如它本来一直停止的，突然就这么跑了（但是事实上不行了，不然我们全都从地球上掉下去了），那这个地球状态改变的信息是什么传播出去的？就是通过波传播出去的，引力波。

　　电磁场动图

　　上图这个是电磁，这是一个电荷红点，当它停在中间，在远处的电磁场现在都指向它；如果它动起来了以后，远处的电场线必须跟着指向它，那远处这些电场线怎么知道我需要改变我的运动状态了呢？ 就是通过电磁波，是电磁波把这个信息传递出去的。

　　同样的原理，引力波也是一样。当源头处，比如说两个黑洞在这里互相绕转，开始是两个洞，后来变成了一个洞。这些关于这个黑洞状态的变化的信息，是怎么传递给远处，让远处知道这些变化？就是通过这些引力波？

　　所以引力波是广义相对论里面特别重要特别基础，必须存在的一个东西。

　　如何研究引力波？

　　我们知道它重要，我们怎么来研究它？还是从电磁学里面找思路。

　　电磁学里面有个特别重要的东西，就是电场线、磁场线。我把磁场线画出来了以后，就知道如果放一个磁铁在那个磁场线的地方，它会沿着磁场线的方向指向；如果是电场线的话，我放一个电荷，它会沿着那个方向加速，对吧？你可以通过画这些线来研究这个电磁波的发射是什么样的。

　　电磁波示意图。

　　左边这个是电磁波，这一圈一圈走掉的是电场线。下面这张图就可以更清楚地看到电磁波是怎么产生的，向右边那张图右上角。如果有两个电荷，你中间会有个电场线连接它们，电场线因为必须要脚踏着电荷。但是如果这两个电荷逐渐互相接近，最后中和掉了，你没有电荷了，你的电场线就没有地方落脚了，它自己就只能闭合成一个圈，没有根基的，什么就就跑掉了。跑掉的这个东西就是电磁波，左边的这个就是电场线，从一个电偶极子发射出来的电磁波。

　　在引力场里面也可以画线。

　　左边是引力电，右边的是引力磁。

　　上图左边是引力电，右边的是引力磁，它和电磁没有直接的关系，只是一个类比。中间红的这个东西是一个黑洞，在黑洞附近，时空的每一点，例如那个箭头指的地方，有三条叫做引力电的线。

　　根据它的特性不同，你可以把它画弄成蓝色或者是红色。蓝色和红色是什么意思呢？你如果有一个人把自己沿着红色的方向站着，你会被拉长，沿着蓝色的方向你会被压扁。你们都听说过，如果一个宇航员掉到黑洞里，他会被拉成面条，就挂了，那是沿着红的那个方向进去的时候；你如果是横着（沿着蓝色方向）进去的话，你实际上是被压扁了的。

　　这在科幻片里面被提到得到如此多，以至于已经有一个词来描述： spaghettification。Spaghetti就是意大利面的细面条，一般是配番茄酱，当然你加这老干妈其实更好吃，但是意大利人吃不了辣的，所以他会扁你。

　　还有一件事情就是这个fusilli，就是拧成麻花的这个意大利面。它生的和煮过头的只有一秒之差（你要错过了那一秒把它煮过头了，意大利人就扁你）。那我为什么要把这个东西放在这呢？ 在一个旋转的黑洞周围，也有这些引力磁的线。 你如果把一个人沿着红线放进去，周围的时空会拧你，沿着这个方向拧你，把你头和脚反方向拧。你如果是蓝色的线，它就逆过来拧。

　　所以掉到黑洞的时候，人的死法是很多种多样的，这个取决于你瑜伽的水平——你有可能是被拧死的，也有可能是被抻死的。你别看我这么胖，我其实瑜伽很好，我多半是被抻死。

　　两个黑洞碰撞了之后，形成一个单一的黑洞。

　　左边这边是两个黑洞碰撞了之后，形成一个单一的黑洞。那个黑洞在那晃，就会产生引力波，发射出来这个像甜甜圈一样东西，就是引力磁的场线。它和下图这个电磁场形成类比。

　　电磁场示意图。

　　如何探测引力波？

　　那怎么来探测引力波？

　　引力波到远处了之后，就形成了那样子一个局面，这是它的波前，也就是一个波发出来到远处最前面那个闪的那个部分。在那个上面，每一点有三条线（它垂直方向没有任何的影响，所以就没有画），在沿着面的平行的方向，有蓝线和红线。还记得蓝线和红线作为引力电一个抻一个压，所以如果有两个尺子是垂直摆放着，当引力波过来的时候，它会压其中一个方向，而抻另一个方向；因为波是会变化的，过一会蓝的和红的都反过来了，它就压这个，抻那个。

　　所以探测引力波最简单的办法，就是用激光干涉仪，测的就是两个臂之间的臂长的差别。美国人造了，在Louisiana（路易斯安那州），就是吃海鲜乱炖的那个州，它有4公里长，是非常震撼的。当地民风淳朴，就是他看到这么震撼的东西，他第一反应是我要拿枪打它，当时也造成了巨大的困扰。

　　除了美国这两个以外，其它地方欧洲也有一个，然后日本有一个叫做KAGRA，这个是我非常喜欢的，它在一个山的下面，神冈山下面，就是测中微子那个地方。我为什么那么喜欢它？就是因为它的名字叫KAGRA，一看就是日本人起的。为什么？因为“Godzilla（哥斯拉）从东京湾登陆，KAGRA从西岸登陆夹击日本”，一听就是日本的。

　　我今天讲了就讲到这。

　　张帆演讲现场。