情人节，和科学家谈谈 13亿年前惊天的“爱的引力波”

文/白竟楠
 

　　13亿年前，两个重量级黑洞合体，在宇宙中最浪漫的一场相遇，碰撞出了巨大的能量波。波不停地在宇宙中扩散，扩散，扩散……终于在2015年9月14日，人类感受到了这份震颤，爱因斯坦引力理论的最后预测被证实。

　　2月13日情人节前夕，在北京科技报|北科传媒的微信粉丝群“科学来帮忙”的8个微信分群里，一场约2000人互动的引力波讨论同步展开，引力波项目参与者陈雁北和胡一鸣与媒体人和科学爱好者们密切互动，提问者有媒体人、科学家、也有孩子的妈妈，中、美、德三地连线的群访谈，同样也产生思维的碰撞。

　　Q：何种机缘让您开始引力波实验项目的探测?

　　陈雁北：我以前在北大本科学的是核物理专业，到了美国加州理工学院后看到引力波的方向挺有意思的，就是在这么一个偶然的机会加入的。引力波的探测是一个很长的过程，其实前后花费了好几十年时间，最开始大家并不知道引力波到底有多长，不知道从哪一个系统能够探测到它。

　　Q：引力波存在与每个人的生活有何密切联系?

　　胡一鸣：如果要问及它的现实意义，恐怕很少有人能回答得上来。正如爱因斯坦当年也无法准确地预言，广义相对论能给人带来什么用处。但实际上，我们手机里使用的卫星导航，如果缺了广义相对论的修正，根本就无法正常使用。

　　有故事说，一位收税官在观看了法拉第的电动机工作表演后，很轻蔑地问道：“这样的东西会有什么用呢?”法拉第告诉那位收税官：“先生，我想在将来的某一天，您一定会向它收税的。”

　　在面对科学突破时，特别是这种基础领域的突破时，我们不应该以现实应用评价它的价值。当然，这也并不是说，纳税人的钱扔给LIGO只是为了听个响(我们的确听到了这一声黑洞的并合)。在LIGO的建造中，涉及无数科研前沿的问题等待突破，而这些技术上的创新与突破，纷纷都衍生出草创公司，也许未来某一天，我们也将从中受益。要知道，创造互联网的，并不是某个商业公司，而是为了探索高能物理的欧核子研究中心。

　　Q：两位科学家的日常研究工作是怎么样的?

　　胡一鸣：每天上百封电子邮件，每天都有电话会议，有时候更多。平常我们的探测器在美国，但是数据都会放在超级计算机上(这部分的工作也有清华研究团队早些年的贡献)。我们都可以连接到超级计算机进行分析和处理。

　　陈雁北：我的科研组里有8个研究生和2个博士后，有很大部分的科研分配给他们去做。他们之间也会有合作，我的工作时间有相当一部分跟他们讨论进展，同时自己还要去想一些理论问题。我和胡一鸣不一样，我不是直接参加数据分析的电话会议，我以自己小组里面的工作为主。我的工作还有一部分要教书，准备讲课的材料，新的课程每讲一个半小时的课要准备五六个小时时间，教学也是工作中很大一部分时间。

　　我现在还没有学会安排时间，工作也不是有条不紊地完成。我跟大家想象中的科学家可能完全不一样，我的工作既不处理数据，也不用观测仪器，主要做一些用纸和笔的计算，以及在计算机上进行一些论文的数值模拟。

美国科研人员11日宣布，他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波，证实了爱因斯坦100年前所做的预测

　　Q：为什么时隔半年左右才宣布探测到引力波的事?

　　胡一鸣：其实信号到达后3分钟就被程序发现，但是因为那个时候还没有正式开始观测，所以大家并不期待探测到信号，回过神来第一回发现这次探测时已经是半小时以后了。尽管如此，我们内部恪守规则，在没有万分的把握之前，严禁任何成员向任何组织外的个人透露消息。

　　LIGO科学合作组织非常的严谨。只有当你握有强有力的证据，你才可以做出超出常人想象的论断。双黑洞的探测是一次惊世之作，在我们没有十二分自信之前，我们不敢轻易发布消息。

　　对于大众读者而言，这不过是屏幕或者报纸上的简单几个数字，但是我们所发表的论文中的每一句话、每一个数字，背后都是漫天飞舞的电子邮件的讨论和反复的计算和确认，浸满了科学家的汗水。可以说，我们发表的文章，“两句三年得，一吟双泪流”。

　　Q：关于对大众进行引力波科普方面的工作，LIGO有没有进行准备?

　　陈雁北：我没有经过科普方面的培训，我们以前的科普工作专门有人组织。在探测器方面有面向中小学生开放的展览，合作组织也会定期组织科普活动，我本人参与科普活动很少。我们以前也没有探测到引力波，如今探测到了，在科普方面现在应该会有所加强。

　　胡一鸣：科普更多的还是个人的兴趣，大家都很忙，很难挤出时间做科普。不过我作为一个从小就是天文爱好者，成长为天文研究人员，非常希望可以把我对科学，对天文的热情传递给更多的大众。

　　在LIGO团队里面有一个专门的小组是科普相关的，大家都是业余爱好，因为毕竟时间上和做科研的时间常常冲突。当然这一次的探测结果，这个科普列表忙疯了，我们LIGO科学合作组织的很多年轻华人学者在微信里面建立了一个群，在新闻发布会之前的一个星期做了很多的翻译和写作工作。

　　我都是业余参加的，也没有什么多余的经费去做科普。主要是LIGO之前因为严谨，不能对谣言做出任何回应，谣言满天飞的时候官方不能发声，很是痛苦。所以我们希望能够在新闻发布会开始的时候，将正确的信息准确地传递给大众。正是这种使命感，让我们十几个年轻的学子跨越全球24小时不间断连续工作，短时间内完成了大量的翻译和写作。

　　Q：有人说，LIGO项目探测到了引力波，是否中国的“天琴计划”就不要继续了?

　　陈雁北：我觉得这是一个非常错误的说法，地面和天空探测是不同的波段，看到的圆是不同的，学到的知识也是不一样的。不同的波段会有不同现象，能看到不同的东西，这个计划本身是没有矛盾的。

　　如果考虑到地面已经探测到引力波，对于空间探测将是一个鼓励，“天琴计划”很可能会相比地面探测到的黑洞更大，可能看到星系中心大质量黑洞的并合过程，它们可以研究了解到宇宙早期星系演化的过程，这个是地面上探测不到的，因此“天琴计划”可以探测到更多新的信息，两个项目研究是完全没有矛盾的。

　　在国内有几个科研组参加了引力波的研究方向，甚至有的研究可以推动中国空间的引力波项目。“天琴计划”我去年已经听说了，中国现在发展那么快，在科研方向应该做出中国的贡献，我也在和中山大学的教授们讨论怎么帮助“天琴计划”。目前“天琴计划”尚处于比较起始的阶段，大家需要从天文学、仪器上的可行性等方面去论证，如何把它变得更好，需要实验物理学家和理论物理学家、天文学家共同讨论的过程。

　　胡一鸣：对于我国自己的引力波实验项目，我个人认识是应该大力鼓励和支持的。我去年年底参加过“天琴计划”的研讨会，如果可以做成，我非常希望可以参与到咱们国家自己的引力波研究进展中。

　　Q：超新星爆发也是一种剧烈的天文事件，它发出的引力波强度大吗?假如银河系内发生超新星爆发，LIGO是否能探测到引力波?

　　陈雁北：超新星爆发是一个非常强的天文事件，它的引力波强度反而不是特别强，原因在于超新星爆发时，质量和能量的分布基本上是球对称的现象，引力波的产生需要一个不对称的质量的分布的变化。但是在银河系中爆发的超新星，LIGO是应该可以探测到的，但到底能够探测得怎样，与超新星爆发的机理有关，现在大家对这个机理还不是完全了解，不同的数值模拟的方法，得出的结果也不是很一致，主要是对于爆发之前星体的初始状态不是很了解，对于其中的一些物理过程模拟的也不是特别精确，但这是一个发展进步很快的领域。

　　胡一鸣：一般来说，银河系内部的超新星是很容易就能看到的。

　　Q：质量变化在一个什么样的数量级上才会出现引力波?这个变化过程的时间长度是否有影响?

　　陈雁北：引力波的振幅从物理上讲跟一个系统的质量、尺度和变化频率有关。一般来讲，质量越大的、尺度越大的、随时间变化越快的物体产生的引力波就越强。

　　Q：这一观测项目涉及到全球多个国家的多个科学家团队的合作。这种合作是因为确有必要，还是仅机缘巧合?请举例说明。

　　陈雁北：有些合作是因为不同机构有明显优势，比如澳大利亚的团队在光学压缩态上曾经有明显优势，所以美国与澳大利亚的合作把光学压缩态的技术转化到LIGO实验中。德国汉诺威的科研组对激光器的研发处于领先地位，提供了Advanced LIGO的激光器。英国格拉斯哥大学对悬挂系统和光学器件的热噪声研究特别领先，在这方面做了特别大的贡献。LIGO和VIRGO可以互相弥补观测和技术升级的时间差问题。有些时候，同一个国家不同的组中是因为人才的交集，所以团队也越来越多，比如培养的研究生和博士后找到工作后又加入的新科研组也加入了合作。

　　胡一鸣：关于研究团队的数目巨大，我想补充一下：LIGO的建立需要全方面的努力，从材料、镀膜、隔震、激光、真空，到超级计算机、数值相对论、快速信号处理、数据分析、快速空间定位、参数估计，每一个步骤，每一个细节，都凝结着研究人员数十年的积累和心血，看着简单的几个数字，每一步背后都是厚厚的几十本博士论文。要实现LIGO对黑洞并合的探测，所需要解决的问题太多太多，自然需要很多研究团队的合作。

　　Q：此次的探测成功，两位觉得最值得中国借鉴的经验是什么呢?

　　陈雁北：第一是大力支持风险比较大的项目。第二是美国科学家的研究方向不是固定的，在科学生涯中涉足多方向，跨领合作，比较灵活，这是我觉得有特色的地方。

　　Q：从参与到探测之前，两位面对这样一个看似无望的研究，想过要放弃吗?

　　胡一鸣：诗意一点地说，风景在路上，追逐探测的这个过程，也一样很美好。

　　陈雁北：我是觉得没希望也无所谓，主要是这个过程比较有意思。当然，我也希望这个研究项目能更好。

　　特别感谢:中国科学院高能物理研究所研究员、中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南，西澳大学教授温琳清和“知识分子”微信公众号编辑部主任李晓明对本次交流给予的帮助。