[引力波历史]拜访赵峥教授：引力波的辐射以及1985年霍金来中国-搜狐科技

原标题：[引力波历史]拜访赵峥教授：引力波的辐射以及1985年霍金来中国-搜狐科技

　　引力波的辐射到底有多强？中国早期的相对论研究与引力波研究工作的到底是怎么样的？对于这些问题，2016年的3月8日，“蝌蚪五线谱”拜访了中国物理学会相对论与天体物理分会前任理事长、北京师范大学物理系赵峥教授。

　　

　　蝌蚪五线谱（张轩中）拜访赵峥教授（左）

　　我们先来看看引力辐射的功率。为了行文方便，我们还是从木星开始谈起吧。

　　首先，我们来看一下木星绕太阳公转的物理图像：

　　

　　木星是不是很大呀，远处的那个发光的物体，就是太阳。

　　木星是一个典型的傻大木，它的质量很大，所以它绕着太阳公转起来的动能还是蛮大的，而且也会发出引力波哦。

　　木星的公转会辐射出引力波的功率很小。

　　到底有多小，我们看赵峥教授与刘文彪教授写的书《广义相对论基础》（清华大学出版社，2010年）第111页，找到了答案：

　　

　　也就是说，木星的引力辐射功率大概是5000瓦特。一般的家庭用的微波炉功率1000瓦特，所以，一个木星的辐射功率大概相当于5个微波炉的功率。

　　

　　前面我们从功率的角度介绍了引力波的辐射。但辐射功率其实没有考虑到辐射源离受众的距离，因此还不够具体，下面我们再从振幅的角度来介绍一下引力波辐射吧。

　　这次我们不说木星了，说说原子弹**产生的引力波振幅大小吧。

　　我们可以来看看加州理工学院的引力波专家陈雁北教授的一张ppt：

　　

　　这个ppt里最下面写了一个数字h，约等于10的-27次方，这就是历史上最大的氢弹能产生的引力波的振幅h（离**中心1米的地方的引力波振幅）。这个振幅h是什么？它是一个无量纲的数字，它就是用来做乘法的。比如一个木棍本来的长度是s，那么，引力波传过来的时候，这个物体的长度改变量就是sh。

　　s与h相乘，不难，如果你的身高是2米，那么氢弹**的引力波过来的时候，你的身高的改变量是2h米，其中h等于10的-27次方，因此你的身高基本没有改变，因为h极小。

　　总之氢弹发出的引力波也是极小的。

　　那你要问了，现在LIGO在地球上看到了两个黑洞碰撞并合发出的引力波，那么请问在那两黑洞附近这个h是不是很大？

　　

　　这是一个很好的问题，据笔者的了解，在两个黑洞碰撞区域附近，时空是高度扭曲的，那时候发出来的引力波并不是球面波，也不是平面波，根本无法定义这个波的振幅h（具体请参考笔者张轩中专访陈雁北教授的文章）。我们只能在远处的地方，才可以近似认为引力波是一个球面波（也就是说波前是一个球面，因此振幅h随着距离r的一次方衰减，因为振幅的平方就是引力波的“光强”。在远场区，波前近似是球面波，那么距离越远，振幅越小。）

　　上面那段话，大家可以与路灯发出的光强（振幅的平方）随距离的变化来进行类比联想——整个球面波振幅的平方就是光强，光强随着距离r的平方成反比（光强对球面积分就是总的光功率，是守恒的，球面的面积与距离r的平方成正比），所以振幅随着距离r的一次方成反比。如果你想不清楚为什么离路灯越远灯光越暗淡，也没关系，那洗洗睡吧。

　　

　　离路灯越远，灯光就越弱，这就是球面波的振幅随着距离r的一次衰减的道理。但你非要问我灯泡里面的光强是怎么分布的，笔者就真答不出来，这就好像你问我黑洞碰撞的时候到底发生了什么，没有人能说得太清楚。

　　所以，黑洞附近的振幅h是多大，答案是不知道！

　　顺带说一下，氢弹到底有多大。

　　这个我们可以来看看中国的原子弹之父邓稼先的一个照片：

　　

　　大家请注意邓公的手势，他正在比划氢弹的大小。大概那么大，看手势就知道。

　　中国的氢弹就这样大。

　　没有吃过猪肉也该见过猪跑了吧，氢弹就是这个尺寸，不会太大。所以**起来也没有什么了不起的，用来激发引力波那是相当的费劲。

　　笔者（张轩中）无意间抓拍到赵峥教授也有一个类似的差不多的手势：

　　

　　赵峥老师的这张照片，亮点在后面的书架上，大家看到一本黑色的书了吗？

　　这本书，根据笔者多年前从事相对论研究的经验，这就是有名的MTW的大黑书《引力》：

　　

　　大家可以看我画红线的圈起来的这个书。

　　MTW又是谁？

　　MTW是三个物理学家的名字，其中M是米斯纳，T是基普.索恩（就是上文提到的陈雁北在加州理工学院读博士时候的导师，《星际穿越》电影的科学顾问与科学编剧），W是惠勒。

　　显然，基普.索恩至少有2大贡献，首先是提出了虫洞与时间履行的观念，其次就是倡导探测引力波，是LIGO的思想与精神导师之一。

　　然后呢？

　　然后，“蝌蚪五线谱”请赵峥老师谈了谈他早期研究引力波的故事。

　　事情还要从1974年说起呢，那时候中国正在文革中，赵峥老师在东北一个研究所从事非物理的工作(虽然他是中国科技大学物理系毕业，但那时候分配工作讲究出身，有时候是有点乱七八糟的，学物理的很多不干物理工作，比如引力探测事业的先驱者陈应天被分配到山东聊城一个工厂里做机械类工作。)

　　1974年美国的马萨诸塞大学的赫尔斯和泰勒用射电望远镜发现了第一颗脉冲双星PSR1913+16（其实这2颗星里只有一颗是真的脉冲星，另外一颗并不是脉冲星），这个系统包括两颗相互绕转的中子星（当然也许是夸克星也不一定，这事情说不好），根据广义相对论，两颗中子星相互绕转会由于引力辐射而损失能量，这两颗中子星的距离会变得越来越接近，会以更快的频率绕转（靠得越近，转得越快）。赫尔斯和泰勒经过4年来上千次的观测，在1978年他们对外宣布了此脉冲双星的轨道周期变化率的观测结果，发现周期变化率为每年（2.71+-0.10）*10-9，与广义相对论中按四极辐射公式计算的理论值（2.715+-0.002）*10-9误差范围不超过1%，因而（据说是）完美地验证了广义相对论及其关于引力辐射的推论，间接地证实了引力波的存在。

　　这事情看起来有点鬼打架的感觉。

　　笔者向赵峥教授请教了他早年做引力波研究的经历，赵峥教授给我看了《刘辽文集》，然后他翻到了这一页：

　　

　　看笔者画红线的部分吧。

　　那时候是1978年到1980年吧，赵峥先生还在北京师范大学跟刘辽先生读相对论方面的研究生。文革刚结束，1978年赵峥先生从东北某研究所考到北京师范大学读研究生。这个文章的发表时间在1980年，是早期中国研究引力波的文献证据。

　　当然，那时候引力与重力是一个意思，重力辐射就是引力辐射，也就是“引力波”了。

　　非常值得一提的是，在赵峥等人的这个文章中，有如下被笔者画红线的部分：

　　

　　首先是，赵峥等人的计算结果与观测数据在28%的相对误差范围内吻合；其次是文章中所使用的广义相对论能量表述是郎道与他的学生的那个能量表述（因为广义相对论的引力的能量是一个说不太清楚的事情，这事情呀，不能给各位读者说得太细，各位想要真明白，请报考北京师范大学引力组的研究生。）；最后，则是文章中把爱因斯坦场方程与牛顿运动方程结合，不是纯粹的爱因斯坦场方程那一套（全部用广义相对论，不做近似的话，没人能算啊），因此属于一种近似处理。

　　赵峥先生等人的这个论文是早期中国研究引力波的证据。当然在更早期也有胡宁先生等人对引力波的研究文章，在这篇文章中不再展开谈论。

　　赵峥教授还告诉“蝌蚪五线谱”，1985年他在北京师范大学当老师了，霍金第一次访问中国（那时候的霍金43岁，基本已经完成了他的全部学术工作了，其实之后的霍金就是以钓鱼度过余生对科学也不会有损失），首先访问了合肥的中国科技大学，然后访问了北京的北京师范大学，当时北京师范大学刘辽先生的相对论组的几个研究生把霍金抬上了长城，那时候的霍金身体已经不行了，但还能说话。

　　据笔者考证，霍金回到欧洲以后，得了支气管的炎症，动了喉咙手术，彻底失去了声音。

　　

　　另据笔者考证，1985年在北京师范大学刘辽先生的相对论组做研究生的人包括现在北京师范大学天文系主任，引力波专家朱宗宏教授。

　　总之，“蝌蚪五线谱”向赵峥教授请教了很多关于引力波的物理学史方面的事情，本文主要披露的是1985年以前的一些事情。赵峥教授告诉“蝌蚪五线谱”，目前在中国从事引力波的研究人员已经不少，他本人只是在早期做过一些引力波的理论研究工作。在1985年以后2000年以前，做过引力波探测的实验方向的人包括中国高能物理研究所的朱宁、李永贵等人。然而，对于1985年后到底发生了什么，我们将在另外的文章中进行科普介绍。

　　

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原标题：[引力波历史]拜访赵峥教授：引力波的辐射以及1985年霍金来中国-搜狐科技

关键词：引力波,赵峥