[科普中國]-專家訪談：關于引力波這件大事

2016年2月12日，對于很多國人來說，是再平凡不過的一個猴年春節(jié)假期中的一天。但對于很多科學家來說，對人類整體來說，它實在是值得載入史冊的一天。

引力波音頻。圖片來源：LIGO新聞發(fā)布會直播截圖

激光干涉引力波天文臺（LIGO）直接探測到引力波的新聞發(fā)布會，吸引了眾多科學家守候，這一成果的意義完全可以使得全世界沸騰——人類獲得了全新的認識宇宙的一種能力，將進入引力波時代。
為這一消息激動的除了科學家，還有科學愛好者們。包括小編的一位好基友。作為如假包換的天文愛好者，他在家里科普引力波，結果和牛頓的忠實擁躉父上大人差點打了起來。依小編的愚見，他大概還是沒說明白。
為了避免這樣的極小概率（can）事件（ju）再次發(fā)生在熱心科普粉身上，知識分子聯(lián)合中國科普博覽，邀請到國內外理論物理領域的多位專家，共同談談引力波這件大事。
本次推出的是部分訪談文字稿，后期還將繼續(xù)推出視頻，敬請期待。
一、科學家們究竟取得了什么成果？

李淼，中山大學天文與空間科學研究院院長，主要研究方向為宇宙學、弦論、高能物理

李淼：人類首次探測到引力波，首次探測到雙黑洞合并
根據(jù)發(fā)表在物理評論通訊（PRL）2016年2月11號一期上的論文，《合并雙黑洞系統(tǒng)引力波輻射的觀測》：2015年9月14號協(xié)調世界時09:50:45 ，LIGO的兩個引力波探測器同時探測到一個短暫的引力波信號，相對強度為1.0 ×10-21 ，頻率覆蓋35到250赫茲。

引力波信號GW150914在天圖（SkyMap）上的分布。圖/Caltech/R. Hurt.

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，這個信號來自于雙黑洞系統(tǒng)的合并。這個雙黑洞系統(tǒng)距離地球大約為410兆秒差距，也就是大約13億光年（亮度距離）。兩個黑洞的質量分別大約是36個太陽質量和29個太陽質量，其中引力波輻射損失的質量大約為3個太陽質量。
這個發(fā)現(xiàn)表明存在太陽質量級別的雙黑洞系統(tǒng)，是人類第一次探測到引力波，也是人類第一次探測到雙黑洞合并。
以上基本上是這篇LIGO和Virgo合作論文摘要的翻譯。
二、能否一句話說明什么是引力波？

布魯斯·艾倫（Bruce Allen），德國馬克斯-普朗克引力物理研究所(阿爾伯特·愛因斯坦研究所）所長，LIGO科學合作組織（LSC）分布式計算項目Einstein@Home（意為“愛因斯坦在你家”）領導人。
布魯斯·艾倫：引力波是時空曲率的漣漪，從源處以光速傳播。

馬丁·亨得利（Martin Hendry）,英國格拉斯哥大學天文與物理學院院長, 主要從事宇宙學和引力波天文學研究，LIGO科學合作組織成員， LIGO科學合作組織教育與公眾宣傳小組副組長。
馬丁·亨得利：引力波是時空中的漣漪，是宇宙中某些最激烈的事件產生的——例如恒星爆炸和黑洞碰撞（后者是我們這次探測到的類型）。
三、這一成果有何意義，為什么它能讓這么多科學家如此激動？

陳雁北（ Yanbei Chen），美國加州理工學院物理學教授，主要從事引力波研究，LIGO科學合作組織成員。

陳雁北：對廣義相對論有了進一步的認識
引力波在廣義相對論中是一個推論，并且是很重要的一個。
引力波和電磁波，在數(shù)學上有一定的類似之處。打一個比方，法拉第、麥克斯韋建立的電磁場理論，推論出電和磁之間的聯(lián)系。在最初，這個聯(lián)系體現(xiàn)在“電磁感應”，比如運動的電荷可以產生磁場，而變化的磁場也可以產生感生電動勢。從這些，可以從理論上建立一個麥克斯韋方程組。但是，這個方程組又推論出一個新的現(xiàn)象，就是電磁波。在電磁波里面，電場和磁場之間會有一個完全的轉換，電磁感應會把能量傳播到無窮遠處。在赫茲發(fā)現(xiàn)了電磁波，并且測定了它的傳播速度之后，電磁場理論才真正完整地被驗證了。
所以相比之下，只有探測到了引力波，研究了它的性質之后，才能說對廣義相對論有了一個完整的認識。
馬丁·亨得利：創(chuàng)造了一個機會，而非解決了一個問題
我們探測的成果之一便是完成了對愛因斯坦廣義相對論關鍵預測的最后驗證。但我覺得這并非是解決了一個問題。幾乎所有的天文學家和物理學家都完全相信引力波是存在的，只是此前我們不能直接探測到它們。
事實上本來可能有一個大得多的問題，那就是如果我們能夠確認兩個黑洞的合并沒有發(fā)出引力波，因為這可以表明愛因斯坦的理論存在嚴重的問題——那會是令人震驚的，要知道廣義相對論在不是那么極端的物理條件下取得了巨大的成功。
當然，類似的評論可以應用在黑洞本身的存在性上。人們從電磁數(shù)據(jù)中得到了關于黑洞存在的很多間接證據(jù)，但對它們的直接探測——通過它們發(fā)出的引力波——是一個驚人的發(fā)現(xiàn)。不過同樣不是真正解決了一個天文學和物理學中的問題。
因此，我們不把這一發(fā)現(xiàn)當作是解決了一個問題，而是認為它創(chuàng)造了一個巨大的機會。
茍利軍（中國科學院國家天文臺研究員，恒星級黑洞研究創(chuàng)新小組負責人）：基礎科學的勝利，偉大理論的勝利
聽到這個消息的時候，有熱淚盈眶的感覺。一方面，科研工作者，尤其是基礎學科的科研工作者，可能都是花費幾十年時間來做這一件事。即使大家都相信引力波存在，但因為它太微小，很可能也是探測不到的。在2000年左右，LIGO的創(chuàng)建人基普·索恩甚至認輸了，承認的確在第一階段的時候沒有探測到。直到升級后，終于探測到引力波。這么多人為這一個信念奮斗幾十年，把這么困難的探測做到了。
另一方面，愛因斯坦在一百年前就預言到了引力波的存在，而它的廣義相對論包含了宇宙中如此之多的現(xiàn)象，一個非常簡單的方程居然包含如此豐富的信息。這次探測到引力波更驗證了這個理論的震撼與偉大。
四、探測引力波為什么這么難？
陳雁北：所產生的變化太微弱了
在人類能夠感知的尺度下，引力是一個很弱的相互作用。只有靠天文中大質量的星體的運動，才能產生相對比較強一些的引力波。但是就算是這樣，引力波對地面上的物質產生的影響也是微乎其微的。這次探測到的引力波，振幅為10-21，這就說明，在LIGO中距離4公里的鏡子，其相對距離只是變化了10-18米左右，是原子核尺度的一千分之一。這么微弱的距離變化，是人類在之前根本沒法達到的，是精密測量科學的最前沿。
五、既然探測引力波這么難，我們都有哪些手段探測引力波呢？

蘇萌，麻省理工學院物理系Pappalardo研究員，研究興趣高能天體物理學與宇宙學，主要集中在宇宙微波背景輻射、暗物質探測與宇宙射線物理學

蘇萌：四種探測引力波的手段
目前為止，探測引力波的主要手段有四種，分別針對不同天體物理與宇宙學起源的引力波信號。
1.原初引力波信號。
原初引力波信號是頻率最低的引力波類型。針對當今的宇宙起源模型認為，宇宙大爆炸時會發(fā)生宇宙時空劇烈的暴脹過程(inflation)，由于時空的劇烈擾動會產生一個引力波的背景信號，就是所謂原初引力波信號。這種引力波的波長跟整個宇宙的尺度差不多大，所以只能通過對宇宙大爆炸后遺留的光子場的信號（所謂宇宙微波背景輻射）來尋找原初引力波的信號。前不久頗具影響的Bicep2實驗正是通過這種方式探測到了原初引力波的跡象，本可以是實現(xiàn)首次引力波直接探測的實驗，可惜后來更多數(shù)據(jù)和儀器的結果顯示，雖然測量結果沒有問題，可是探測到的卻是我們銀河系自身的信號，并不是來自于宇宙早期。
2.大質量黑洞并合時發(fā)出的引力波
這類引力波對應的頻率在百萬分之一到億分之一赫茲。
這種事件往往發(fā)生在星系與星系相撞的后期。人們想出一個絕妙的方法去試圖觀測這種天體物理過程發(fā)出的引力波：利用校準后的毫秒脈沖星！毫秒脈沖星是自轉極快的帶強烈磁場的中子星，顧名思義，這種脈沖可以作為一個時鐘——可以達到原子鐘級別的精確的時鐘，若干這樣精確校準的毫秒脈沖星作為校準光源，利用地面上的大型地面射電望遠鏡作為探測器來觀測大質量黑洞并合時發(fā)出的引力波。
3. 十萬分之一到一赫茲的引力波
當頻率提升到十萬分之一到一赫茲，對應的信號來源更為豐富，比如質量更小一些的大質量黑洞冰河過程的后期，銀河系內的白矮雙星，甚至是在宇宙早期所謂“電弱”相變過程可能產生的宇宙學尺度引力波。
探測的手段也是蠻拼的：空間衛(wèi)星陣列！著名的LISA(光學干涉空間陣列）作為歐洲空間局批準的大型空間實驗衛(wèi)星項目，將為實現(xiàn)這個目標再努力二十年左右。首顆技術驗證星去年年底剛剛上天，目前為止運行良好。我國中山大學領導的雄心勃勃的天琴計劃是我國正在規(guī)劃的空間探測引力波實驗。
4.高頻段的引力波
引力波的高頻段是幾十到幾千赫茲，這就是這次LIGO－Virgo合作組宣布的首次引力波直接探測的頻段，主要的信號源是中子星、恒星級黑洞等致密天體組成的雙星系統(tǒng)。探測手段就是地面數(shù)公里的激光干涉裝置。
四種手段探測的引力波信號源不同，科學目標也不同。
六、除了LIGO，還有哪些探測引力波的機構？
茍利軍：看圖說話。

全球引力波天文臺分布（來源于LIGO網(wǎng)站）

七、為什么是LIGO探測到了？
布魯斯·艾倫：感謝大自然
據(jù)我所知，除了LIGO,目前還沒有其它的機構探測到引力波。至于為什么是我們，（實驗裝置）設計精巧、工作人員賣力、運氣好（感謝大自然，引力波源的時間地點都無比合適）。
馬丁·亨得利：感謝有史以來最敏感的科學儀器
為達到令人震驚的靈敏度要求，在過去的幾年里，LIGO探測器設計的幾乎每一個方面都被升級過。我們在格拉斯哥大學領導的英國研究機構聯(lián)合會發(fā)揮了關鍵作用，特別是在LIGO探測器核心區(qū)域發(fā)展、構造和安裝靈敏的反射鏡懸架，這對此次探測非常重要。該技術是以我們在早期英國/德國GEO600探測器上的工作為基礎的。這使得LIGO升級為Advanced LIGO，可以說是有史以來最敏感的科學儀器，因此我們得以第一次直接看到黑暗的宇宙。
八、這一成果將對這個時代的科學研究產生哪些影響？
布魯斯·艾倫: 開辟全新的天文學研究領域
它將為天文學研究開辟一個全新的領域，為研究黑洞和中子星等致密天體提供新的方法。
馬丁·亨得利：引力波天文學領域的未來十分光明
總的來說，我相信我們的發(fā)現(xiàn)是一個驚人的科學成就：它提供了黑洞存在的第一個直接證據(jù)，即它們可以以成對的形式存在，而這些對可以碰撞和合并，并在這一過程中以引力波的形式釋放大量能量，這與廣義相對論的預測驚人地一致。
但是，我們的發(fā)現(xiàn)并不僅僅是檢驗愛因斯坦是否正確。探測引力波將有助于我們探測宇宙中情況最為極端的角落——黑洞的視界、超新星的最深處、中子星的內部結構——那些常規(guī)望遠鏡完全無法接近的區(qū)域。
我們將在下一個十年見證Advanced LIGO探測器的進一步改進，以及全球探測器網(wǎng)絡的擴展，包括意大利的Advanced Virgo，日本的神岡引力波探測器（KAGRA），以及可能在印度的第三個LIGO探測器。這種增強的全球網(wǎng)絡將顯著提高我們的確定引力波源位置以及更準確地估計它們物理性質的能力。引力波天文學這一嶄新的領域有著非常光明的未來！
茍利軍：目前對黑洞研究的影響不大，但未來可期
這次探測到的引力波來自雙黑洞的合并，理所當然的吸引了我的注意。但限于目前的探測能力，估計還很難給黑洞研究帶來非常大的變化，
但是如果等到第三代，以及空間探測器的發(fā)射之后，對于黑洞的研究，會給我們提供一種完全嶄新的方式去研究黑洞。
首先：探測方式會對現(xiàn)有的方式做出一個補充。我們理論上知道就我們銀河系中有至少上千萬個恒星級的黑洞，自從人類在60年代發(fā)現(xiàn)第一個黑洞天鵝座黑洞X-1以來，到現(xiàn)在也僅僅確認了20多個黑洞，所以發(fā)現(xiàn)黑洞的速度是非常緩慢的。最主要的原因是黑洞沒有輻射，難以觀測。但是如果有雙黑洞的引力波的卻給我們提供了另外一種全新的方式，很有可能會通過這種方式讓我們發(fā)現(xiàn)很多。在目前看來，也僅僅是個補充，不能完全替代，因為他們探測的是不一樣的黑洞類型。
另外，研究方式上也不一樣。我們或許知道，對于一個黑洞性質的描述，我們通常有所謂的無毛定理，也就是只需要質量和角動量就可以完整描述黑洞。在目前來看，我們現(xiàn)在都是通過電磁方式研究黑洞，涉及到不同的波段，耗費的時間多時間，而所觀測的電磁信號來自于距離黑洞比較遠的地方，而且可能電磁信號很容易受到吸收干擾，所以往往得到的信息是不一定完整。但是引力波的波形卻直接可以給出我們黑洞周圍時空最直接最直接的信息，也是最準確的。
當然隨著引力波觀測數(shù)據(jù)的積累，我們對于一些黑洞相關的其他領域也會產生非常大的影響，比如恒星演化，甚至星系演化和宇宙演化 等等。
九、中國在引力波研究方面有自己的計劃嗎？
胡文瑞（中國科學院院士，流體力學專家）：空間太極計劃
2008年由中國科學院發(fā)起，中科院多個研究所及院外高?？蒲袉挝还餐瑓⑴c，成立了中國科學院空間引力波探測論證組，開始規(guī)劃我國空間引力波探測在未來數(shù)十年內的發(fā)展路線圖。
經(jīng)過幾年的努力，目前已形成了一支以中國科學院科研人員為主的空間太極（Taiji）計劃工作組。
太極計劃是一個國際合作的空間引力波探測計劃，它有兩個方案。方案I是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計劃，今年秋天將召開第三次雙方科學家會議，完成雙邊合作的可行性報告，然后各自向主管部門呈報，由雙方主管部門審批后執(zhí)行。國際上很希望能有二組空間引力波探測系統(tǒng)同時進行空間探測，彼此驗證，方案II就是發(fā)射一組中國的引力波探測衛(wèi)星組，與2035年左右發(fā)射的eLISA衛(wèi)星組同時邀游太空，進行低頻引力波探測。方案II擬于2033年前后發(fā)射，實現(xiàn)我國大型先進科學衛(wèi)星計劃的突破。屆時，中國衛(wèi)星組與eLISA衛(wèi)星組同時在空間獨立進行引力波探測，互相補充和檢驗測量結果，我國將成為國際上空間引力波研究最重要基地之一。以基礎科學研究為牽引，我國在空間科學研究、高端空間技術和科學衛(wèi)星的整體水平上將會有一個質的飛躍。
（整理自胡文瑞院士2016年2月16日在新聞發(fā)布會的發(fā)言）
李淼：中國天琴空間引力波探測實驗項目
天琴計劃的出發(fā)點是切實根據(jù)我國的技術能力實際和未來幾十年的發(fā)展前景，提出我國自主開展空間引力波探測的可行方案。
在目前討論的初步概念中，天琴將像LISA一樣，采用三顆全同的衛(wèi)星構成一個等邊三角形陣列，每顆衛(wèi)星內部都包含一個或兩個極其小心懸浮起來的檢驗質量。衛(wèi)星上將安裝推力可以精細調節(jié)的微牛級推進器，實時調節(jié)衛(wèi)星的運動姿態(tài)，使得檢驗質量始終保持與周圍的保護容器互不接觸的狀態(tài)。這樣檢驗質量將只在引力的作用下運動，而來自太陽風或太陽光壓等細微的非引力擾動將被衛(wèi)星外殼屏蔽掉。高精度的激光干涉測距技術將被用來記錄由引力波引起的、不同衛(wèi)星上檢驗質量之間的細微距離變化，從而獲得有關引力波的信息。
與LISA或eLISA不同的是，天琴的衛(wèi)星將在以地球為中心、高度約10萬公里的軌道上運行，針對確定的引力波源進行探測。這樣的選擇能夠避免測到引力波信號卻無法確定引力波源的問題，而且有望幫助節(jié)約大量衛(wèi)星發(fā)射方面成本。天琴的實驗技術方案會在未來的研究中進一步優(yōu)化，以實現(xiàn)其科學價值最大化。
茍利軍：還有阿里計劃
對不同頻段的引力波，我國有不同的項目在計劃或進行中。除了太極計劃、天琴計劃，中科院高能物理所還提出了一個阿里計劃，準備在西藏阿里天文臺放置一個小型望遠鏡，對北半球進行宇宙背景輻射的監(jiān)測，從而間接地探測原初引力波。
雖然到目前為止，我國還沒有真正運行中的引力波探測器，不過等到未來如果探測到引力波探測后，需要進行波形擬合等涉及信息提取的工作，非常復雜，國內已經(jīng)有一部分人在做這方面的工作了。像中科院數(shù)學所就有一些科研人員在做廣義相對論的數(shù)值化，而且得出了很好的結果。
十、進入引力波時代，未來的研究方向是什么？
馬丁·亨得利：引力波是否真的是以光速傳播有待檢驗
在我們數(shù)據(jù)所顯示的范圍內可以找到被觀察到的事件，但我們不能更準確地給出這一位置。然而在未來，隨著越來越多的引力波探測器被添加到我們的全球網(wǎng)絡，我們確定引力波源位置的能力將大大提高。
愛因斯坦的理論預測，引力波以光速傳播，但我們的數(shù)據(jù)還不能完全確認是光速。然而，我們希望在未來探索這一問題，希望能檢驗引力波是否真的是以光速傳播。
蘇萌：打開引力波研究宇宙的新篇章
LIGO探測到引力波，將打開引力波研究宇宙的新篇章。未來的科學發(fā)展方向大致有三方面：
1.利用發(fā)出引力波的天體物理源研究宇宙學；
2.通過引力波直接探測研究黑洞并合成長的過程；
3.研究宇宙早期的極端物理過程，幫助我們了解宇宙的起源、演化中的基礎物理學原理。
十一、最后，讓牛頓的忠實擁躉承認人類探測到了引力波，一定要打一架嗎？
茍利軍：
這個問題……應該不需要打一架吧。這應該只是認識引力的不同看法的問題，牛頓認為只要有質量就有引力，而愛因斯坦提出了另一個觀點，有質量的物體引起了時空的彎曲，造成了引力，
在日常生活中，用牛頓的觀點去理解是沒有問題的，但在某些情況下，是無法用牛頓的觀點去解釋的，比如水星近日點的進動，就是無法用牛頓的觀點來解釋的。
（編者按：牛頓認為，月球之所以會繞地球運轉，是它們之間存在萬有引力的緣故。這引力像繩子或彈簧一樣一頭拴著月亮，一頭系著地球。一個形象的比喻就是投擲鏈球：地球是鏈球運動員而月亮是鏈球，地球在自己旋轉的同時用鐵鏈（萬有引力）拉住月球，帶它一塊轉。當然，萬有引力是無形的，看不見摸不著，卻如一條條鐵鏈拴住世間萬物。
而愛因斯坦認為，每個有質量的物體周圍都會出現(xiàn)時空的“彎曲”。這種彎曲就像在一層橡膠膜上放一顆鐵球產生的凹陷一樣。這時放在膜上的物體就要順勢滑向鐵球。在現(xiàn)實中，太陽的質量也在其周圍產生空間彎曲，行星在“彎曲”的空間里運動，看起來好像是繞著太陽轉圈一樣。想象一下在漏斗側壁上滾動的小球，只要它的速度合適，就不會落入漏斗中。同樣，包括地球在內的行星都以恰到好處的速度繞太陽轉動，因此不會被太陽這個“引力漏斗”吸入。）
感謝德國馬普引力物理所、清華大學博士后胡一鳴為采訪提供的幫助