12月2日晚，大家期待已久的祝世宁院士终于在我们“科学之光”的课堂上与大家见面了。本次课程的题目是“超构芯片上类比引力研究”。相信第一次看到这个标题的同学会产生这样的疑惑，超构芯片与引力似乎是毫不相干的两个话题，它们是怎么联系到一起的？祝院士也点出了同学们心中的困惑，并表示自己会带领大家走进科学前沿，揭开超构芯片与类比引力研究的神秘面纱。

本堂课全场座无虚席

首先，祝院士与同学们一起回顾了波这样一个物理现象。我们的日常生活时时刻刻都在和波打交道，尤其是电磁波。电磁波的各类应用已经渗透到我们生活的方方面面，从ct扫描到杀菌消毒，从红外探测到手机通讯。类比电磁波与机械波，可以发现它们具有相似的波动方程，都包含了振幅、相位、频率、波长等特征。随后祝院士向同学们科普了迈克尔逊-莫雷实验，其证明了光速不变的物理规律，这也是狭义相对论的基本假设之一。接着从光的波粒二象性出发，拓展到电子以及其他微观粒子的波粒二象性，引出薛定谔方程，以及考虑相对论情况的狄拉克方程，介绍了由此衍生出的一系列概念如反物质、真空不空、狄拉克海等。

祝院士为大家讲解光波的概念

祝院士从波这一简单的概念入手，以点带面，用浅显的语言将整个物理学的大厦展现在了同学们面前。相信同学们通过这一番讲解，对我们身处的物质世界有了更加深刻的认识。

用机械波、电磁波、量子波引入引力与引力波

而以上的铺垫，都是为了能够引出本堂课的主角——引力。“万事万物都有引力，所以它叫万有引力。”爱因斯坦的狭义相对论只适用于惯性系，也就是匀速直线运动的状态。我们知道任何有质量的体系之间都是存在引力的，而有了引力，根据牛顿定律，就会产生加速度，因此惯性系的假设就不成立了。广义相对论就是在这样的背景下诞生的，在这个理论中用时空弯曲来描述引力。祝院士引用了惠勒的一句话概括了广义相对论引力场方程的物理含义：“物质告诉时空怎么弯曲，时空告诉物质怎么运动。”

祝院士向大家介绍引力透镜以及黑洞照片的拍摄方法

广义相对论预言了许多有趣的天文现象，其中就包括引力透镜效应。整个宇宙空间受到大质量天体的影响，时空分布是不均匀的，而时空弯曲的程度取决于空间的质量分布。那么远处的天体发出的光到达地球，其运动轨迹是由空间的曲率所决定的，这就像透镜汇聚光线一样。宇宙中的天体如同一个个透镜那样改变光线的传播路径。引力方程还预言了引力波的存在，而近几年人类才通过臂长四公里的迈克尔逊干涉仪捕捉到两个黑洞合并时产生的引力波。接着祝院士给大家展示以地球作为“望远镜”，拍摄到的黑洞的照片。人类为了研究广义相对论、黑洞，投入了大量的精力。而这些工作也可以在超构芯片上完成。

在芯片上模拟黑洞捕获光子的演示

光线受到介质折射率的影响会产生弯曲，太阳的质量同样也会影响光线产生弯曲，那么是否可以用光学的体系来模拟引力的体系？祝院士团队在实验上做到了用厚度不等的薄膜类比黑洞周围的时空弯曲，成功模拟了黑洞周围光线的运动，并用动图向同学们展示了实验现象。这项工作被同行评价“首次用光学模拟的方法得到了爱因斯坦方程的精确解，用简单的实验在芯片上漂亮地演绎了广义相对论的部分思想”。除了已经被观测到的天文现象外，超构芯片还能够演示天文上没有观测到的现象——时空拓扑缺陷：宇宙弦。通过在超构芯片上描述出还未观测到的天文现象，可以为天文学家分析天文信息提供一定的参考。

类比的思想贯穿整堂课的始终，祝院士认为，用类比的方法做研究可以为现阶段难以解决的问题提供一些启示。随着下课铃声响起，本次课程在同学们热烈的掌声中结束了。

课后同学们积极提问

课后同学们仍然意犹未尽，抓住这难得的机会向祝院士请教问题。祝院士也耐心地给同学们一一解答。

（撰稿：吴晨晖 摄影：王志章 编辑：宋万鸽）