电磁波和引力波天文学的“互补原理”
  发现“黑色幽灵”的黑洞已不算什么重大的科学发现，天文学家通过间接的观测手段多次发现了它们的存在，同样，发现“宇宙灯塔”的中星也不算什么特别的科学发现，天文学家通过直接的观测方式多次发现了它们的踪迹。发现黑洞发射的引力波，在地面和未来的太空的引力波探测器上直接观测双黑洞系的碰撞和合并事件产生的引力波则是一种震撼人心的重大发现，世界上仅有的三台激光干涉仪引力波观测台从2015年到现在一共发现了四次双黑洞激发的引力波信号，前三次是由LIGO实验团队发现的，第四次是由LIGo的实验团队联合发现的，LIGO实验团队的三位美籍创始人、或“合伙人”荣获了今年的诺贝尔物理学奖，而欧洲Virgo实验团队的发起人、或主要的创立者由于“跟随性发现”而失去了引力波类物理诺奖的机会。发现中星产生的引力波，在地面和未来的太空引力波天文台直接观测到双中星的碰撞和合并事件产生的引力波肯定是一次前所未有的特别发现。2017年8月17日，两台位于美国的LIGO探测器和一台位于欧洲的Virgo探测器几乎同时接受到编号为GW170817的引力波信号，这是两个国际化的实验团队第五次发现的引力波，与前四次发现的引力波信号不同，联合团队第五次发现的引力波是由一次双中星的碰撞和合并事件激发的。2017年10月3日，诺贝尔奖委员会将今年的物理诺奖授予了三位物理学家，他们所在的LIGO团队第一次发现了由双黑洞合并事件触发的引力波。根据自然哲学认识论的“等效原理”，第一次发现由双中星合并事件触发的引力波同样具有了荣获诺贝尔奖的可能，引力波物理学诺奖的“幕布”正在徐徐地拉开。

  LIGo的实验团队在双黑洞碰撞与合并的事件中探测到了四次引力波，指出了引力波的波源位置，世界上的光学天文团队没有在这些引力波的波源地发现光源的信号，黑洞物理学家的解释是合并前和合并后的黑洞拥有强大的引力，任何跌入黑洞的光线和物质都不能逃脱黑洞的吸引，黑洞就像宇宙中的“超级吸尘器”。LIGo的联合实验团队在北京时间8月18日发现的双中星碰撞与合并的事件中第五次探测到了引力波，标定了引力波源的方位，世界上的光学天文团队“闻风而动”、“倾巢出动”，进行了一次天文观测史上空前的联合观测行动，包括中国和南非光学波段的天文团队在这个引力波的波源地发现了不同波段的光源信号，中星物理学家的解释是合并前和合并后的中星既能够发射类似于黑洞的引力波，也能够发射黑洞所不能发射的光学信号，对于黑洞引力波而言，天文学家像音乐家一样，能够“聆听”引力波的声音，而对于中星引力波而言，天文学家既像音乐家，又像美术家一样，能够“看见”引力波的画面。天文学家“客串”了音乐家和美术家的角色，这是因为大自然既表现了音乐的节律，又展示了美术的图画，我们可以用艺术哲学欣赏论的“等效原理”来体验天文学家和艺术家，自然和艺术的共有属性。

  在中星引力波的信号GW170817发生后的1.7秒，美国国家航空航天局的费米太空卫星探测到一个编号为GRB170817A的伽马射线暴，LIGo的实验团队比较了引力波和伽马射线暴的信号，发现两者的“相遇”不是一个巧合，而是指向了一个共同的中星波源。在双中星引力波事件发现之后的数时、数天、数周的时间，全球光学波段的望远镜和探测器开展了一次“史上最牛”的联合观测行动，集中展示了国际天文学联合会的观测设备和技术，数千名各国的天文学家在一场“突击行动”中记载了海量的天文数据，他们在今年的10月18日之后陆续发表、或将会发表数十篇论文，“第一篇论文”则是由LIGo的联合团队在《物理学评论快讯》上发表的，论文的作者达到了创记录的数千人。在距离地球1.3亿光年的长蛇座星系NGC4993之中，两颗质量分别为1.15和1.6倍太阳质量的中星互相绕转，在并合前的约100秒，它们相距400公里，每秒钟互相绕转12圈，并向外辐射了引力波，两颗中星越转越近，直至最终碰撞在一起，形成了质量为2.74个太阳质量的新天体，损失的少量质量转换为引力辐射，合并的瞬间产生了伽玛线的“闪射”和其它其它波段的光信号，包括X射线、紫外线、可见光、红外线以及射电波。

  量力学哥本哈根学派的领军人波尔在1928年提出了量力学的基本原理——互补原理，并在之后的哲学研究中推广了这一原理，如果将物理学概念的互补原理理解为“狭义互补原理”，那么我们可以将哲学概念的互补原理理解为“广义互补原理”，就像本作者将物理学概念的“等效原理”定义为“狭义等效原理”，而将哲学概念的“等效原理”定义为“广义等效原理”一样，本作者在宇宙哲学的学习和思考中发现和应用了这一原理。以波尔的“广义互补原理”为指南，我们对中星引力波的发现有几点新的认识，其一：中星引力波的发现是中外天文学家合作共赢的产物。全球天文学家在这场中星引力波和电磁波观测的“大会战”、“大协作”中展示了人类科学探索的勇气和智慧。在中星引力波事件发生的二十四时之后，中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用中国南极昆仑站的第2台望远镜AST3-2对GW170817的波源展开了有效观测，观测活动持续到了8月28日，取得了大量引力波事件的光学信号数据。中国第一颗太空X射线探测卫星——慧眼HXMT望远镜进行了伴随监测，为科学界理解中星引力波产生的物理机制提供了重要数据，“慧眼”中国团队的科学家在“第一篇论文”中签署了他们的名字。全球最大的单口径射电望远镜FAST——中国“天眼”没有和“慧眼”协同行动，这是由于此次中星引力波事件发生在南半球天区，而“天眼”位于北半球，实际上，“天眼”在调试运行的阶段已经发现了数十颗中星的信号，其中的六颗中星得到了国际同行的确认。我们只有期待中国“天眼”和“慧眼”在下一次的探测中发挥“一唱一和”和“天地连线”的互补作用。

  其二：中星引力波的发现成果为LIGo实验团队和国际天文团队所共享。我们既不要低估LIGo联合团队在第一次中星引力波的发现中所扮演的关键角色，LIGo团队的三台引力波探测器在过去的三十多年中就像一个“摆设”，没有探测到任何引力波的信号，经过最近几年的技术升级，似乎“苏醒”了过来，从2015年开始获得了连续性的发现，经过五次引力波事件的发现之后，后续的更多发现会进入一种“常态”。如果中国空间科学院发射的各种科学探测仪器，或者中国科学院建造的各种实验设备暂时成为了“摆设”，民们不要“惊慌失措”，不必“三道四”，浮躁的言辞是科学探索行动的大敌，何况中国的基础科学和空间科学在过去的五到十年取得了难以置信的成果，观测方式已经“深入隧道”和“站在云端”了。中国科学家和社会大众可以形成“互补原理”的互动。中国天文学家没有缺席中星引力波发现的“盛宴”，在LIGo联合团队在华盛顿特区举办事先“打招呼”的新闻发布会时，中国科学院、中国国家天文台和南京紫金山天文台也举办了成果发布会，美国航空航天局、欧洲南方天文台、英国科技设备委员会、法国国家科学研究中心等全球数十家科学机构都发布了各自的观测结果。在“天文台总动员”的行动中，全球数十台天文望远镜对GW170817的波源开展了后续观测，世界主要的新闻媒体用“史无前例”的字眼来形容天文学界的这场“狂欢”。

  其三：中星引力波的发现为天空爱好者提供了学习引力波和电磁波天文学的案例。电磁波物理学和电磁波天文学，或者引力波物理学和引力波天文学符合等效、差异和互补的相互关系，我们可以用自然哲学认识论的“等效原理”、“差异原理”和“互补原理”来刻画它们之间的关联。不仅如此，我们可以用“广义互补原理”来认知电磁波物理学、天文学和引力波物理学、天文学的共同作用。LIGo联合团队使用了引力波的观测手段，世界各地的天文台和观测站则使用了电磁波的观测工具，这是人类第一次通过两种观测手段同时发现了双中星的合并过程。根据宇宙哲学逻辑论的“等效原理”，我们可以期待科学团队第一次通过电磁波和引力波的两种观测手段来发现“深藏不露”的黑洞和双黑洞，我们知道，黑洞的内部不能发出光线，但是黑洞外部的周围能够发出诸如X—射线的光芒，天文学家通过X—射线和伽玛射线太空望远镜能够间接地发现黑洞的存在。LIGo团队首次发现了中星引力波，这是一项了不起的成就，而LIGo团队和世界各地的天文团队第一次实现了对中星系两种方式的联合观测是另一种突破性的成果。电磁信号和引力波信号天文观测的互补性将会在未来的天空探索中进一步表现出来。值得一提的是，LIGo联合团队之前并没有期待会接收到中星引力波的信号，它们比黑洞的引力波信号更弱，更难捕获，而GW170817事件发生在距离地球1.3亿光年的地点，相对靠近我们的地球，科学家之前发现的双黑洞合并事件距离我们的地球有13亿光年，或者此次中星引力波的信号源只有之前发现的双黑洞引力波信号源距离的十分之一。既然LIGo科学团队在地面观测站接收到了中星引力波的信号，我们有理由相信，中国科学家未来实施的“天琴计划”和“太极计划”将会在太空发现更弱的中星引力波信号。

  （邓如山2017-10-18邮箱：deepmind_123@163.）

  （“plementaryprinciple”betweeromagidgravitationalwaveastronomy）



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