去年9月，Frontiers for Young Minds期刊网站上线了五位诺贝尔奖得主专门为青少年撰写的科学文章合集。今年11月，FYM诺贝尔奖合集系列迎来更新，再次收录5篇由诺奖得主为全球的好奇大脑撰写的最新文章。
和所有在Frontiers for Young Minds发表的文章一样，诺贝尔奖合集的作者们同样需要用孩子的语言对文章进行改写，随后由8-15岁的青少年审稿人出具审稿报告，通过后文章才可以发表，以确保文章易于理解并有趣。诺贝尔奖得主合集系列将持续更新，旨在发展这一宝贵的教育资源，以激励年轻人，同时鼓励分析性思维和想象力的建立。
引力波，宇宙的一扇新窗。
想象一下，你可以选择一双新的眼睛，帮助你看到以前从不能看到的东西。也许你会选择超人的X射线视觉，或者你更愿意将微小的事物放大，看到微观世界的奇妙。科学界最近获得了一双新的眼睛——一种观察宇宙奥秘的新方法——引力波，即由引力本身产生的波。本文将带你认识引力波。首先，我们将解释一下引力——从牛顿的经典观点到爱因斯坦的现代观点，后者也是更复杂的观点。
然后我将解释大质量天体的运动如何产生引力波，也就是空间和时间的涟漪，以及它们可能如何被用来解释宇宙的一些奥秘，甚至帮助我们了解地球的起源。
1687年，伟大的英国数学家和物理学家艾萨克·牛顿爵士出版了他的名著《自然哲学的数学原理》，简称《原理》。他在书中提出了他的引力理论——科学中的第一个"宇宙"理论。牛顿理论证明，两个物体之间的引力与它们的质量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
虽然这是真的，但事实证明，牛顿的美妙理论存在着一些局限。首先，你有没有想过，为什么当苹果从树上掉落时，它是往下而不是往上？当你跳跃时，为什么你最终会落回地球，而不是继续往上飞？牛顿的理论实际上并没有回答这些简单的问题。它只告诉了我们，两个物体之间相互施加的引力大小，比如苹果和地球之间或你和地球之间的引力。该理论没有考虑物体之间的力的方向（朝向对方或远离对方），也没有解释引力到底是从哪里来的。
牛顿理论的第二个困难有点难以把握。想象一下，太阳突然消失了。如果它现在消失，我们需要8分钟后才能看到它已经不在那里了，因为光从太阳到达我们这里需要8分钟的时间。宇宙中发生的其他任何事情也是如此，信息从事件（发生的地方）传输到观察者（所在的地方）需要时间。因此，当一个苹果从树上掉下来时，应该过了一些时间（即使只是一秒钟的极小一部分）之后，观察者才能知道发生了什么事。
牛顿理论没有考虑这个时间间隔，因此根据他的理论，观察者就是在苹果掉落的那一时刻看到这一事实的。我们知道，现实并非如此；因此，我们可以认为牛顿理论中缺了些什么。
我们如何才能解决牛顿理论存在的这两个难题呢？幸运的是，在牛顿时代200多年之后，可爱的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦提出了一个解决方案。1915年，爱因斯坦发表了关于引力的一个新理论，称为广义相对论。
爱因斯坦理论以一种完全不同的方式看待引力，并帮助我们理解牛顿理论无法解释的事情。有一个简单的方法来理解爱因斯坦的引力思想。想象把一个小弹珠放在一个平坦的蹦床边上。这个弹珠保持静止不动。然而，如果你在蹦床的中间放一个大保龄球，它就会使蹦床卷曲，小弹珠就会向蹦床的中间滑去。这个重保龄球的存在以这样一种方式扭曲了蹦床所在的空间：使小弹珠朝向保龄球运动，就像被它吸引一样。
这基本上就是爱因斯坦的广义相对论所说的事情。任何质量的存在都扭曲了它周围的空间，在两个有质量的物体之间产生了吸引。
爱因斯坦的广义相对论的预言之一是，引力应该具有波动性——引力波。思考引力波的一个简单方式是，想象自己在一个静止的池塘边……然后你往池塘里扔一块石头。这块石头溅起了水花，然后掉到了池塘的底部。虽然石头现在静止在池塘底部，但你仍然可以看到它对水面产生的影响，即水波从中心向外运动。这也是直观理解引力波的方法，只是形成引力波的不是那块落入池塘的石头，而是空间中大质量天体的运动或碰撞。
在爱因斯坦预言了引力波的存在之后，实验物理学家们就开始尝试探测它们，我自己为开发探测引力波的方法已经投入了20多年的时间——并且还将继续。事实上，面对引力波，我们同时拥有一个“不幸”和一个“幸运”。不幸的是，我们目前无法在实验室里制造引力波，因为对于我们现有的探测技术而言，我们所能制造的引力波太微弱了。这是个不幸，因为好的实验是那些让我们理解全部发生细节的实验，而这些细节在实验室中更容易实现。
另一方面，我们又被赐予了一个幸运——自然界本身创造的引力波，比我们在实验室里制造的任何可能的引力波都强烈得多。这意味着一些产生引力波的天文事件——其中两个我将在下面提到——有可能被我们目前最先进的探测器探测到。尽管这些事件必须是宇宙中最剧烈和最高能的天文事件，只有这样我们才可能探测到它们，但它们发生的频次仍然很高，足够我们研究。
我们探测引力波的一个可能极好的波源是超新星爆发。
当一个大质量恒星衰老并急剧向内坍缩时就发生超新星爆发。这种坍缩使得温度和压力急剧提高，能够加强核聚变，也就是原子中的轻核组合成为重核并释放能量。这可以触发所谓的"失控的核聚变"，从而导致恒星以巨大的能量爆炸，根据爱因斯坦理论，这会产生强烈的引力波。对于太空中的猛烈碰撞，其中最高能的发生在诸如黑洞和中子星的大质量天体之间。
黑洞是宇宙中已知的质量最大的天体，它们所具有的引力吸引强大到可以"吞噬"任何靠近它们的东西，甚至恒星。没有什么能从黑洞内部逃脱，甚至连光也不能，这也是其名字的由来。中子星是坍缩后的超巨星的残骸，密度极高，主要由中子这种中性亚原子粒子组成。
2015年，人们首次探测到了引力波。仅仅两年后，即2017年，我和我的两位同事，莱纳-魏斯和基普-索恩，因这一发现获得了诺贝尔物理学奖。
通常情况下，科学家们做出杰出的研究工作后，至少需要等待20年才能获得诺贝尔奖，但引力波的发现具有特殊的重要性，原因我将在下面解释。探测到来自两个黑洞碰撞的第一批引力波之后，我们后来又探测到了其他产生引力波的碰撞——一次是在2017年，探测到的是两个中子星之间的碰撞，另一次是2020年，探测到的是一个黑洞和一个中子星之间的碰撞。
当我们测量引力波时，我们实际上是在测量它们在空间和时间中产生的扭曲（涟漪）。当这些扭曲到达我们的探测器时，它们小得令人难以置信，比一个质子的大小还要小得多。为了测量如此小的信号，我们的探测器必须具有比质子大小的1/1000更高的精度！你可以想象，这是一个极其难以达到的目标。它需要使用一种非常特殊的技术，即干涉术。
为了进行如此灵敏的测量，我们需要将仪器设备与周围隔离开来，以便没有任何东西可以干扰我们的测量——即使是一个微小的运动也会淹没我们正在寻找的信号。一个干扰源是地球本身的运动，它自转的时候会摇晃（这种摇晃太轻微，人类感觉不到，但敏感的仪器却能探测到）。这意味着我们需要将我们的测量仪器漂浮起来，让它不会接收到地球的运动。建造测量引力波的仪器一直以来都是极具挑战性的。
我们使用的仪器叫做LIGO，它是激光干涉仪引力波天文台的首字母缩写。LIGO有几公里长。建造和运营它的费用超过10亿美元。我的大部分工作仍然涉及开发相关技术，提高引力波探测的灵敏度，排除一些外界的破坏我们测量的运动。许多人问我，在同一个问题上工作了20多年，是不是很令人沮丧。我的回答是，绝非如此！我在解决这个问题的路上获得了很多乐趣，再说，能够做一些前人没有做过的事情，是一种莫大的荣幸。
那么，引力波对于我们尝试了解宇宙有何重要性？首先，引力波帮助我们验证了爱因斯坦的广义相对论确实是正确的。尽管爱因斯坦的理论看似成立且非常准确，但它并不是预测引力波的唯一理论。为了证实爱因斯坦的理论是正确的，并能够解释引力是什么以及它如何发挥作用，我们需要所探测到的引力波的测量细节。其次，引力波可以帮助我们了解宇宙的新事物。
你可以把它看作是天文学的一个新时代，就像400年前著名的天文学家伽利略·伽利莱用望远镜观察天空开创的那个时代一样。我们可以利用引力波观察宇宙，这是前所未有的新方式——利用"引力望远镜"。研究引力波可以帮助我们更好地了解灾难性（指非常剧烈）的天文事件是如何发生的，例如黑洞和中子星之间的碰撞。
这些信息可以让我们对于宇宙形成早期阶段所发生的事件形成新的见解，也可以帮助我们找到关于我们自己星球的有趣的问题的答案，如金和铂等重元素是如何到达地球的。然而，我们的引力波技术还不够高超，所以我们通常将从引力测量所得到的信息与从望远镜中得到的数据相结合。这使得我们能够建立宇宙事件的图景，这远超没有引力波时我们的理解。未来，随着我们能够更好地探测引力波，我们希望只用引力波就能“看”到宇宙现象。
这是宇宙学中非常激动人心的时代，因为我们探测引力波的能力为宇宙学事件打开了一扇新的窗口，这将帮助我们更好地理解我们的宇宙。
我在生活中学到了很多，其中一点是，人生中重要的事，是关注你们的梦想并努力实现它们。你们对未来的梦想告诉你们，你们在生活中想要什么——不管是成为一名物理学家还是艺术家，或者只是做一些自己喜欢的事情，比如旅行或追求你的爱好。
你不一定要实现你的梦想所期望的一切，但你的梦想正在告诉一些关于你应该走哪条路的事情。我学到的另一个要点是，我在生活中所做的一切都由一个词驱动：好奇心。年轻人是天生地非常好奇的，你们应该珍惜你们的好奇心，不要让任何事情削弱它——不管是你的老师，还是你的父母，或者其他任何人。因此，我的建议是跟随你的好奇心，享受乐趣，追寻你的梦想，并忽略一切可能限制你热情的东西。
对于你们当中对科学感兴趣的人来说，科学可以有很多乐趣。生命中没有比做自己喜欢的好事、同时享受乐趣还能挣钱养家更好的事情了。因此，对我来说，科学可真是一个好职业。但是你必须记住，失败是科学的一部分，接受并非你所做的一切事情都会成功这个现实.....而失败也可能是好事。当你站在科学的最前沿，做一些以前从未有人做过的事情时，有时会感到很沮丧。
每一天，你都会处于这样一种情况：你没有把握是否会取得进展，或者甚至可能有新发现，或者你是否正在做一些白费力气的事情。对于像我这样的人来说，这种未知性就是做科学的乐趣!