漫画来源：上海市科学技术协会
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。波不停滴在宇宙中扩散，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。
2016年2月13日情人节前夕，在北京科技报|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。
对话嘉宾：陈雁北(引力波论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院教授)
特约嘉宾：胡一鸣(德国马普引力物理所、清华大学博士后、LIGO科学合作组织成员)
整理/记者 白竟楠 廖迈伦 审稿人/陈雁北
>>>>Q：您是如何进入研究引力波的领域的?
陈雁北：我参加引力波的项目很偶然，以前在北大学物理,研究理论和物理，后来到了美国加州理工学院看到引力波的研究感觉非常新，所以就加入了。引力波的探测是很长的过程，长达几十年。最开始引力波研究的时候，大家都不知道引力波有多强，甚至不知道从哪个天体物理系统放出的引力波比较可能被探测到。我很幸运，参加这个领域十几年后LIGO就探测到了信号，这个领域进入了一个新的阶段。相比之下，对于更早参与的科学家，有些人参与几十年，一直都处于一个探索状态，直到今天才有了结果。对于比我更年轻的新一代的科学家来说，他们更幸运，在起点就有这么新的研究成果，以后还会有更深层的研究和探索。
>>>>Q：从进入这个领域开始到现在，面对这样一个看似无望的研究，想过要放弃吗?
陈雁北：虽然引力波的探测具有比较大的不确定性，我觉得探测的手段和过程都有意思，对此非常有兴趣。当然，我也希望能真正的探测到引力波。
胡一鸣：诗意一点说，风景在路上，追逐探测的这个过程，也一样很美好。
>>>>Q：为什么这次论文没有发表在《自然》或《科学》上，而选择了PRL呢?
陈雁北：因为很合适。其实《自然》或《科学》与PRL来说各有侧重，很多物理学上的重要发现都是发在PRL上的，而另两者可能更侧重最新的研究进展，更追求“新”。PRL是一个很好的物理期刊，而我们所做的是一个物理的结果，所以就选择了PRL。
胡一鸣：我说一下个人浅见，曾经听一位师兄说，在天文领域，最重要的发现都是发表在ApJ或者PRL，而《自然》或《科学》则更多的追逐时髦，APJ和PRL才是经典。
>>>>Q：请问您日常的科研工作是什么样的?
陈雁北：我的科研组里有8个研究生和2个博士后，有很多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于一部分时间跟他们讨论进展，每周开组会，阅读最新文献，同时自己还要去想一些理论问题。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，教学也是工作中很大一部分时间。
我的工作可能跟大家想象中的科学家不一样，我自己不处理数据也不使用观测仪器，主要是做纸和笔来计算和在计算机上的数值模拟，我的工作和码工没有太大区别(笑)。
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。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、处理。
>>>>Q：引力波存在与我们每个人的生活有什么密切联系吗?能否详细举例?
陈雁北：引力波这种前沿的研究可以对科学技术有很大的推动，可以培养很多技术人才，但是引力波的存在与否，和人们日常生活恐怕没有太大关系。
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，他一定会向它收税的。”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，涉及到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中心。
>>>>Q：在LIGO组织你们有接受过科普方面的培训吗?
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，如今探测到了从双黑洞碰撞发出的引力波，在科普方面有了一个新的侧重点。
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。
>>>>Q：为什么时隔半年左右才宣布测量到引力波?
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，回过神来第一个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：引力波的传输速度是多少?如何解释量子纠缠是即时发生的?可以理解引力波是一种电磁波吗?
陈雁北：引力波和电磁波在数学上的性质有很多相似的地方，但是不能说二者相同。他们的波长在远小于宇宙不均匀的尺度时，引力波和电磁波是同样的速度，但是如果它们的波长和振幅都不小，它们的传播是有不同之处的。假定引力波的波长比宇宙时空曲率小很多的情况下，引力波的传播速度是按照光速传播的。或者说，波长小的引力波和光波，在真空中，传播规律是一样的。否则，引力波、电磁波的波包会扩散，不会以一定的速度传播，而且这种扩散的方式在两种波之间是不同的。 在这次观测的过程中，引力波的波长远远小于宇宙的不均匀的尺度，因此以光速传播。
量子纠缠并不能传播信息，等到信号沿着光束传到另一个地方信息才能获得传递，所以量子纠缠所谓的突发性和引力波的光速传播并不是矛盾的。在更深的层次上，量子力学和广义相对论的结合现在还没有最后的完成，所以完全理解在广义相对论下最一般的量子纠缠，还需要等待基础物理的进一步发展。
>>>>Q：两个黑洞合并过程中，最后大黑洞的质量是否不能预测?
陈雁北：可以从数值相对论中预测到，从微扰论中可以估测到，所以，计算和估算都是可以的。已经有检验相对论的论文谈到了用数值相对论来计算黑洞的质量问题。
>>>>Q：引力波探测到对未来“天琴计划”有何影响?是否就不要再继续了?
陈雁北：这是错误的说法，天空和地面探测引力波是不同的波段，看到的源是不同的，从这些观测中我们可以学到的关于宇宙知识也是不一样的，就好像用不同波段的光、无线电、X光来探测天文，不同的波段看到的是不同的现象，观测到的是不同的东西，本身不矛盾。
而且如果地面探测到引力波，这是对空间探测的鼓励，比如在地面探测到比太阳质量大几十倍的黑洞，而在天琴计划看到的是更大的黑洞，很可能是星团中心、星系中心的大质量黑洞并合过程，这是都在地面上探测不到的。所以天琴计划带来的是更新的信息，反而能进一步推动相关研究。
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。中国要考虑的是，如何最好的发挥自己的特点，在引力波探测到之后如何再发现有特色的发展方向。
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，我非常希望自己可以参与到咱们国家自己的引力波研究进展中。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，我非常希望自己可以参与到咱们国家自己的引力波研究进展中。
>>>>Q：引力波经过干涉仪的时候改变了空间长度，但是时间也有改变，实验过程如何处理时间的改变，需要考虑时间误差吗?
陈雁北：这个问题不是“引力波经过干涉仪改变了时空”这么简单，是一种科普中把技术问题一带而过的方法。在实际的计算中，要在时空中建立一个坐标系(网格)，考虑引力波对这个坐标系的“度规”(即网格的形状)的改变，然后分别考虑时钟、光线和检验质量这三种不同的物质在这个网格中的运动规律，最终计算出，当光线时钟出发，在网格中传播，从检验质量上反射回来，并且打回时钟位置上时，时钟所指时间的变化。在这个计算中，我们要考虑在引力波影响下时钟的快慢、光线的弯折、以及检验质量的运动。在三个因素都考虑以后，才能正确得出信号对引力波的依赖关系。
>>>>Q：引力波的偏振又是怎么回事呢?
陈雁北：偏振的意思是当引力波在传播的时候可以有不同的方法来改变物体之间的距离，或者说改变时钟的时间，这就是偏振。电磁波也是有偏振的，比如墨镜、显示屏上都有电磁波偏振的器件，不同的偏振电磁波下电场的方向是不一样的，不同的偏振电磁波下电荷的运动也不一样。
>>>>Q：为什么黑洞合并过程中发出的典型引力波波长接近黑洞尺寸?
陈雁北：所谓典型就是并合在最后的阶段中他的波长接近于黑洞尺度，这个其实是自然形成的。因为在广义相对论里面，两个黑洞在最初形成同一个黑洞时，他们两个的距离实际上是和质量成正比的，大约是这个质量所对应的史瓦希半径。引力波的波长正好就是这个距离的尺度，因为这个时空的扭曲的尺度是在这个距离上。
>>>>Q：引力波是在弱引力条件下线性化后得到的波的形式，而且波速是光速，但这次探测的是黑洞的引力波，应该是强引力的，是否和弱线性的引力波在数学结构上有所不同，波速是否是光速?
陈雁北：引力波在黑洞附近产生的时候，的确有很多非线性很强引力的现象，但是黑洞本身的大小只有几百公里，从黑洞传播到地球有十三亿光年的距离，这十三亿光年的距离本身是弱引力的，所以从整体上来讲，还是弱引力的过程。在这个过程中是以弱引力传播的。
>>>>Q：两个黑洞撞击过程中，强场中产生的非线性引力波可能对应一种非线性引力子吗?
陈雁北：从技术上来讲，一个引力子产生两个引力子，或者两个引力子再产生一个引力子就是非线性的相互作用，那么是可以看成这种现象的。
>>>>Q：能够预测到何时可再观测到吗?
胡一鸣：根据黑洞并合事件的探测数，以及aLIGO对于这类事件产生的引力波的敏感度，我们可以估算宇宙中黑洞并合的发生率。将这个事件的发生率与下一次aLIGO观测运行的预期灵敏度相结合，就可以让我们对下一次观测中能够探测到的事件数目有一个大概的认知。这个数字是非常令人振奋的。
上图显示了预期的探测数，以及随着aLIGO的时空体积的增加，发现多于N个探测数的可能性。不同观测运行的时空体积标记在了图片中，这个预测的确定性很低，因为仅仅通过几个观测数目，我们不能很好地确定事件率;未来探测器的灵敏度也取决于天文台后续升级的进展。把所有的情况通盘考虑，我们预期可以在下一个观测运行中探测到3到90个显著的双黑洞并合事件，并且有近乎百分之百的可能性探测到至少一个事件。
>>>>Q：什么样的能量才能够与黑洞漩涡的力量抗衡?
陈雁北：只要你是在黑洞外面，只要有足够的力量是可以逃脱黑洞的引力场的，但是如果已经到了黑洞世界的上面，没有任何能量可以跟黑洞抗衡。当然大家不理解的是量子引力，那么在量子引力上可不可以呢?这个是目前还没有解决的问题。
>>>>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，但到底能够探测的多好，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，但这是一个进步发展很快的领域。
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又加入了合作。
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：引力波能不能验证有可以穿越维度的惰性中微子的存在?
陈雁北：惰性中微子的意思是要看引力波能不能对引力理论进行检验，从这个角度来讲，如果我们把双黑洞的引力波和广义相对论的推论用更精确的方法来比对，就可以看到引力理论和广义相对论的区别，从这个角度来说是可以对各种各样的理论进行验证或者证伪的。
>>>>Q：这次双黑洞合并事件，有没有可能找到电磁波段的对应源?
陈雁北：找到双黑洞事件的电磁对应源比较难，因为在双黑洞附近需要有很多气体和磁场，才能够激发出足够可见电磁波。但是也有些科学家也觉得有可能，有文章表示，探测到一些双黑洞事件周围的伽马射线暴。我认为这个问题现在还没有定论。
>>>>Q：两个探测器探测到的引力波有7毫秒时差。那么这探测的引力波是同一引力波源的同一引力波，还是同一引力波源的不同引力波?
陈雁北：引力波的发生是从双黑洞发出来以后，相当于往水里扔一个石头一样，波在水面上有一个波前散开，在不同地方都可以观测到这个波钱。从这个角度说，其实可以说是同一个波，只不过是同一个波的波前的不同的部分而已。
>>>>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：请问引力波能持续多长时间?
陈雁北：引力波在不同的波段(也就是频率范围)持续的时间是不同的，它的频率和振幅也是随时间变化的，这次探测到0.2秒的引力波，因为是存在在LIGO的可测范围内。这一段引力波其实本身存在了很长的时间，因为它的频率比较低，没有进入LIGO可测量的频率范围而已。从这两个黑洞形成开始发出引力波，到他们并和，可能经过上百万年或者更长的时间，所以黑洞引力波的持续时间可以很长。还有一些引力波从宇宙大爆炸时就有了，这些引力波到现在就有140亿年。
>>>>Q：宇宙中引力波多吗?引力波间互相会产生冲撞和抵消的力吗?
陈雁北：宇宙中会有各种背景和过程能产生引力波，我们探测精度有限，所以只能探测其中力度最强的。引力波之间的确会有冲撞和抵消，在物理上讲就是波的叠加。
>>>>Q：怎么能够从实验或者观测上验证引力子是否存在呢?
陈雁北：想要观测到引力量子效应，可以通过宇宙背景辐射的角度来看。因为宇宙背景辐射在理论上讲，是在动态宇宙下，引力子对被动态产生的过程造成的，如果确定看出早期宇宙背景辐射的话，是可以推断出引力子的存在的。但是现在认为，宇宙背景辐射在LIGO覆盖的频段上比LIGO的灵敏度低太很多，所以可能需要用其他的方法观测。
>>>>Q：根据这次LIGO探测结果，能够在多大程度上排除GR以外的其他相对论引力理论?
陈雁北：对于理论对比来说，我个人认为是有了良好的开端，但是还没有特别深入的研究。比如，只能说引力子的质量上限比以前低了十倍，但是很难说在多大程度上排除了其它的系统理论。
专家提问
主持人：最后，我们也请 陈雁北教授 和 胡一鸣博士 给群友和媒体朋友们各提一个问题。请群友回答，回答正确的群友可以获得我们北京科技报|北科传媒赠送的小礼品(共5份)
陈雁北：如果把地球的质量变成一个黑洞，这个黑洞的大小应该有多大?
A.1到10米
B.1毫米到1米
C.1微米到1毫米
答案：1毫米到1米
胡一鸣：LIGO引力波测量的精度需要达到10^-21，大概就是每米的长度上探测出10^-21米的变化来，如果这个尺子变成地球到太阳的距离，这个变化的范围是多大?
A.原子核大小
B.氢原子大小
C.头发丝
D.豌豆
答案：氢原子大小
正确答对问题的5人微信昵称：绘卷、ou、李年和、KEEPER-T、五十春秋，并获得北京科技报《科技生活》周刊两个月八期(含美国科普期刊《Popular Science》中文版两期)赠阅。
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。
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