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漫畫來源：上海市科學技術(shù)協(xié)會
對話嘉賓：陳雁北(引力波論文作者之一、LIGO科學聯(lián)盟核心成員、加州理工學院教授) 特約嘉賓：胡一鳴(德國馬普引力物理所、清華大學博士后、LIGO科學合作組織成員) 整理/記者 白竟楠 廖邁倫 審稿人/陳雁北 >>>>Q：您是如何進入研究引力波的領域的? 陳雁北：我參加引力波的項目很偶然，以前在北大學物理,研究理論和物理，后來到了美國加州理工學院看到引力波的研究感覺非常新，所以就加入了。引力波的探測是很長的過程，長達幾十年。最開始引力波研究的時候，大家都不知道引力波有多強，甚至不知道從哪個天體物理系統(tǒng)放出的引力波比較可能被探測到。我很幸運，參加這個領域十幾年后LIGO就探測到了信號，這個領域進入了一個新的階段。相比之下，對于更早參與的科學家，有些人參與幾十年，一直都處于一個探索狀態(tài)，直到今天才有了結(jié)果。對于比我更年輕的新一代的科學家來說，他們更幸運，在起點就有這么新的研究成果，以后還會有更深層的研究和探索。 >>>>Q：從進入這個領域開始到現(xiàn)在，面對這樣一個看似無望的研究，想過要放棄嗎? 陳雁北：雖然引力波的探測具有比較大的不確定性，我覺得探測的手段和過程都有意思，對此非常有興趣。當然，我也希望能真正的探測到引力波。 胡一鳴：詩意一點說，風景在路上，追逐探測的這個過程，也一樣很美好。 >>>>Q：為什么這次論文沒有發(fā)表在《自然》或《科學》上，而選擇了PRL呢? 陳雁北：因為很合適。其實《自然》或《科學》與PRL來說各有側(cè)重，很多物理學上的重要發(fā)現(xiàn)都是發(fā)在PRL上的，而另兩者可能更側(cè)重最新的研究進展，更追求“新”。PRL是一個很好的物理期刊，而我們所做的是一個物理的結(jié)果，所以就選擇了PRL。 胡一鳴：我說一下個人淺見，曾經(jīng)聽一位師兄說，在天文領域，最重要的發(fā)現(xiàn)都是發(fā)表在ApJ或者PRL，而《自然》或《科學》則更多的追逐時髦，APJ和PRL才是經(jīng)典。 >>>>Q：請問您日常的科研工作是什么樣的? 陳雁北：我的科研組里有8個研究生和2個博士后，有很多部分的科研分配給他們?nèi)プ?。他們之間也會有合作，我的工作時間有相當于一部分時間跟他們討論進展，每周開組會，閱讀最新文獻，同時自己還要去想一些理論問題。我以自己小組里面的工作為主，我的工作還有一部分要教書，準備講課的材料，新的課程每講一個半小時的課要準備五六個小時，教學也是工作中很大一部分時間。 我的工作可能跟大家想象中的科學家不一樣，我自己不處理數(shù)據(jù)也不使用觀測儀器，主要是做紙和筆來計算和在計算機上的數(shù)值模擬，我的工作和碼工沒有太大區(qū)別(笑)。 胡一鳴：每天上百封電子郵件，每天都有電話會議，有時候更多。探測器在美國，但是數(shù)據(jù)都會放在超級計算機上(這部分的工作也有清華研究團隊早些年的貢獻)。我們都可以連接到超級計算機進行分析、處理。 >>>>Q：引力波存在與我們每個人的生活有什么密切聯(lián)系嗎?能否詳細舉例? 陳雁北：引力波這種前沿的研究可以對科學技術(shù)有很大的推動，可以培養(yǎng)很多技術(shù)人才，但是引力波的存在與否，和人們?nèi)粘Ｉ羁峙聸]有太大關(guān)系。 胡一鳴：如果要問及它的現(xiàn)實意義，恐怕很少有人能回答得上來。正如愛因斯坦當年也無法準確地預言，廣義相對論能給人帶來什么用處。但實際上，我們手機里使用的衛(wèi)星導航，如果缺了廣義相對論的修正，根本就無法正常使用。有故事說，一位收稅官在觀看了法拉第的電動機工作表演后，很輕蔑地問道：“這樣的東西會有什么用呢?”法拉第告訴那位收稅官：“先生，我想在將來的某一天，他一定會向它收稅的。”在面對科學突破時，特別是這種基礎領域的突破時，我們不應該以現(xiàn)實應用評價它的價值。當然，這也并不是說，納稅人的錢扔給LIGO只是為了聽個響(我們的確聽到了這一聲黑洞的并合)，在LIGO的建造中，涉及到無數(shù)科研前沿的問題等待突破，而這些技術(shù)上的創(chuàng)新與突破，紛紛都衍生出草創(chuàng)公司，也許未來某一天，我們也將從中受益。要知道，創(chuàng)造互聯(lián)網(wǎng)的，并不是某個商業(yè)公司，而是為了探索高能物理的歐核中心。 >>>>Q：在LIGO組織你們有接受過科普方面的培訓嗎? 陳雁北：我沒有經(jīng)過科普方面的培訓，我們以前的科普工作專門有人組織在探測器方面有面向中小學生開放的展覽，合作組織也會定期組織科普活動。我本人參與科普活動很少。我們以前也沒有探測到引力波，如今探測到了從雙黑洞碰撞發(fā)出的引力波，在科普方面有了一個新的側(cè)重點。 胡一鳴：科普更多的還是個人的興趣，大家都很忙，很難擠出時間做科普。不過我作為一個從小就是天文愛好者，成長為天文研究人員，非常希望可以把我對科學，對天文的熱情傳遞給更多的大眾。在LIGO團隊里面有一個專門的小組是科普相關(guān)的，大家都是業(yè)余愛好，因為畢竟時間上和做科研的時間常常沖突。當然這一次的探測結(jié)果，這個科普列表忙瘋了，我們LIGO科學合作組織的很多年輕華人學者在微信里面建立了一個群，在新聞發(fā)布會之前的一個星期做了很多的翻譯和寫作工作。 >>>>Q：為什么時隔半年左右才宣布測量到引力波? 胡一鳴：其實信號到達后3分鐘就被程序發(fā)現(xiàn)，但是因為那個時候還沒有正式開始觀測，所以大家并不期待探測到信號，回過神來第一個發(fā)現(xiàn)這次探測時已經(jīng)是半小時以后了。盡管如此，我們內(nèi)部恪守規(guī)則，在沒有萬分的把握之前，嚴禁任何成員向任何組織外的個人透露消息。 LIGO科學合作組織非常的嚴謹。只有當你握有強有力的證據(jù)，你才可以做出超出常人想象的論斷。雙黑洞的探測是一次驚世之作，在我們沒有十二分自信之前，我們不敢輕易發(fā)布消息。對于大眾讀者而言，這不過是屏幕或者報紙上的簡單幾個數(shù)字，但是我們所發(fā)表的論文中的每一句話，每一個數(shù)字，背后都是漫天飛舞的電子郵件的討論和反復的計算和確認，浸滿了科學家的汗水?？梢哉f，我們發(fā)表的文章，兩句三年得，一吟雙淚流。 >>>>Q：引力波的傳輸速度是多少?如何解釋量子糾纏是即時發(fā)生的?可以理解引力波是一種電磁波嗎? 陳雁北：引力波和電磁波在數(shù)學上的性質(zhì)有很多相似的地方，但是不能說二者相同。他們的波長在遠小于宇宙不均勻的尺度時，引力波和電磁波是同樣的速度，但是如果它們的波長和振幅都不小，它們的傳播是有不同之處的。假定引力波的波長比宇宙時空曲率小很多的情況下，引力波的傳播速度是按照光速傳播的?；蛘哒f，波長小的引力波和光波，在真空中，傳播規(guī)律是一樣的。否則，引力波、電磁波的波包會擴散，不會以一定的速度傳播，而且這種擴散的方式在兩種波之間是不同的。 在這次觀測的過程中，引力波的波長遠遠小于宇宙的不均勻的尺度，因此以光速傳播。 量子糾纏并不能傳播信息，等到信號沿著光束傳到另一個地方信息才能獲得傳遞，所以量子糾纏所謂的突發(fā)性和引力波的光速傳播并不是矛盾的。在更深的層次上，量子力學和廣義相對論的結(jié)合現(xiàn)在還沒有最后的完成，所以完全理解在廣義相對論下最一般的量子糾纏，還需要等待基礎物理的進一步發(fā)展。 >>>>Q：兩個黑洞合并過程中，最后大黑洞的質(zhì)量是否不能預測? 陳雁北：可以從數(shù)值相對論中預測到，從微擾論中可以估測到，所以，計算和估算都是可以的。已經(jīng)有檢驗相對論的論文談到了用數(shù)值相對論來計算黑洞的質(zhì)量問題。 >>>>Q：引力波探測到對未來“天琴計劃”有何影響?是否就不要再繼續(xù)了? 陳雁北：這是錯誤的說法，天空和地面探測引力波是不同的波段，看到的源是不同的，從這些觀測中我們可以學到的關(guān)于宇宙知識也是不一樣的，就好像用不同波段的光、無線電、X光來探測天文，不同的波段看到的是不同的現(xiàn)象，觀測到的是不同的東西，本身不矛盾。 而且如果地面探測到引力波，這是對空間探測的鼓勵，比如在地面探測到比太陽質(zhì)量大幾十倍的黑洞，而在天琴計劃看到的是更大的黑洞，很可能是星團中心、星系中心的大質(zhì)量黑洞并合過程，這是都在地面上探測不到的。所以天琴計劃帶來的是更新的信息，反而能進一步推動相關(guān)研究。 在國內(nèi)有幾個科研組參加了引力波的研究方向，甚至有的研究可以推動中國空間的引力波項目?！疤烨儆媱潯蔽胰ツ暌呀?jīng)聽說了，中國現(xiàn)在發(fā)展那么快，在科研方向應該做出中國的貢獻，我也在和中山大學的教授們討論怎么幫助“天琴計劃”。目前“天琴計劃”尚處于比較起始的階段，大家需要從天文學、儀器上的可行性等方面去論證，如何把它變得更好，需要實驗物理學家和理論物理學家、天文學家共同討論的過程。中國要考慮的是，如何最好的發(fā)揮自己的特點，在引力波探測到之后如何再發(fā)現(xiàn)有特色的發(fā)展方向。 胡一鳴：對于我國自己的引力波實驗項目，我個人認識是應該大力鼓勵和支持的。我去年年底參加過天琴計劃的研討會，如果可以做成，我非常希望自己可以參與到咱們國家自己的引力波研究進展中。對于我國自己的引力波實驗項目，我個人認識是應該大力鼓勵和支持的。我去年年底參加過天琴計劃的研討會，如果可以做成，我非常希望自己可以參與到咱們國家自己的引力波研究進展中。 >>>>Q：引力波經(jīng)過干涉儀的時候改變了空間長度，但是時間也有改變，實驗過程如何處理時間的改變，需要考慮時間誤差嗎? 陳雁北：這個問題不是“引力波經(jīng)過干涉儀改變了時空”這么簡單，是一種科普中把技術(shù)問題一帶而過的方法。在實際的計算中，要在時空中建立一個坐標系(網(wǎng)格)，考慮引力波對這個坐標系的“度規(guī)”(即網(wǎng)格的形狀)的改變，然后分別考慮時鐘、光線和檢驗質(zhì)量這三種不同的物質(zhì)在這個網(wǎng)格中的運動規(guī)律，最終計算出，當光線時鐘出發(fā)，在網(wǎng)格中傳播，從檢驗質(zhì)量上反射回來，并且打回時鐘位置上時，時鐘所指時間的變化。在這個計算中，我們要考慮在引力波影響下時鐘的快慢、光線的彎折、以及檢驗質(zhì)量的運動。在三個因素都考慮以后，才能正確得出信號對引力波的依賴關(guān)系。 >>>>Q：引力波的偏振又是怎么回事呢? 陳雁北：偏振的意思是當引力波在傳播的時候可以有不同的方法來改變物體之間的距離，或者說改變時鐘的時間，這就是偏振。電磁波也是有偏振的，比如墨鏡、顯示屏上都有電磁波偏振的器件，不同的偏振電磁波下電場的方向是不一樣的，不同的偏振電磁波下電荷的運動也不一樣。 >>>>Q：為什么黑洞合并過程中發(fā)出的典型引力波波長接近黑洞尺寸? 陳雁北：所謂典型就是并合在最后的階段中他的波長接近于黑洞尺度，這個其實是自然形成的。因為在廣義相對論里面，兩個黑洞在最初形成同一個黑洞時，他們兩個的距離實際上是和質(zhì)量成正比的，大約是這個質(zhì)量所對應的史瓦希半徑。引力波的波長正好就是這個距離的尺度，因為這個時空的扭曲的尺度是在這個距離上。 >>>>Q：引力波是在弱引力條件下線性化后得到的波的形式，而且波速是光速，但這次探測的是黑洞的引力波，應該是強引力的，是否和弱線性的引力波在數(shù)學結(jié)構(gòu)上有所不同，波速是否是光速? 陳雁北：引力波在黑洞附近產(chǎn)生的時候，的確有很多非線性很強引力的現(xiàn)象，但是黑洞本身的大小只有幾百公里，從黑洞傳播到地球有十三億光年的距離，這十三億光年的距離本身是弱引力的，所以從整體上來講，還是弱引力的過程。在這個過程中是以弱引力傳播的。 >>>>Q：兩個黑洞撞擊過程中，強場中產(chǎn)生的非線性引力波可能對應一種非線性引力子嗎? 陳雁北：從技術(shù)上來講，一個引力子產(chǎn)生兩個引力子，或者兩個引力子再產(chǎn)生一個引力子就是非線性的相互作用，那么是可以看成這種現(xiàn)象的。 >>>>Q：能夠預測到何時可再觀測到嗎? 胡一鳴：根據(jù)黑洞并合事件的探測數(shù)，以及aLIGO對于這類事件產(chǎn)生的引力波的敏感度，我們可以估算宇宙中黑洞并合的發(fā)生率。將這個事件的發(fā)生率與下一次aLIGO觀測運行的預期靈敏度相結(jié)合，就可以讓我們對下一次觀測中能夠探測到的事件數(shù)目有一個大概的認知。這個數(shù)字是非常令人振奮的。 上圖顯示了預期的探測數(shù)，以及隨著aLIGO的時空體積的增加，發(fā)現(xiàn)多于N個探測數(shù)的可能性。不同觀測運行的時空體積標記在了圖片中，這個預測的確定性很低，因為僅僅通過幾個觀測數(shù)目，我們不能很好地確定事件率;未來探測器的靈敏度也取決于天文臺后續(xù)升級的進展。把所有的情況通盤考慮，我們預期可以在下一個觀測運行中探測到3到90個顯著的雙黑洞并合事件，并且有近乎百分之百的可能性探測到至少一個事件。 >>>>Q：什么樣的能量才能夠與黑洞漩渦的力量抗衡? 陳雁北：只要你是在黑洞外面，只要有足夠的力量是可以逃脫黑洞的引力場的，但是如果已經(jīng)到了黑洞世界的上面，沒有任何能量可以跟黑洞抗衡。當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?這個是目前還沒有解決的問題。 >>>>Q：超新星爆發(fā)也是一種劇烈的天文事件，它發(fā)出的引力波強度大嗎?假如銀河系內(nèi)發(fā)生超新星爆發(fā)，LIGO是否能探測到引力波? 陳雁北：超新星爆發(fā)是一個非常強的天文事件，它的引力波強度反而不是特別強，原因在于超新星爆發(fā)時，質(zhì)量和能量的分布基本上是球?qū)ΨQ的現(xiàn)象，引力波的產(chǎn)生需要一個不對稱的質(zhì)量的分布的變化。但是在銀河系中爆發(fā)的超新星，LIGO是應該可以探測到的，但到底能夠探測的多好，與超新星爆發(fā)的機理有關(guān)，現(xiàn)在大家對這個機理還不是完全了解，不同的數(shù)值模擬的方法，得出的結(jié)果也不是很一致，主要是對于爆發(fā)之前星體的初始狀態(tài)不是很了解，對于其中的一些物理過程模擬的也不是特別精確，但這是一個進步發(fā)展很快的領域。 胡一鳴：一般來說，銀河系內(nèi)部的超新星是很容易就能看到的。 >>>>Q：質(zhì)量變化在一個什么樣的數(shù)量級上才會出現(xiàn)引力波?這個變化過程的時間長度是否有影響? 陳雁北：引力波的振幅從物理上講跟一個系統(tǒng)的質(zhì)量、尺度和變化頻率有關(guān)。一般來講，質(zhì)量越大的、尺度越大的、隨時間變化越快的物體產(chǎn)生的引力波就越強。 >>>>Q：這一觀測項目涉及到全球多個國家的多個科學家團隊的合作。這種合作是因為確有必要，還是僅機緣巧合?請舉例說明 陳雁北：有些合作是因為不同機構(gòu)有明顯優(yōu)勢，比如澳大利亞的團隊在光學壓縮態(tài)上曾經(jīng)有明顯優(yōu)勢，所以美國與澳大利亞的合作把光學壓縮態(tài)的技術(shù)轉(zhuǎn)化到LIGO實驗中。德國漢諾威的科研組對激光器的研發(fā)處于領先地位，提供了Advanced LIGO的激光器。英國格拉斯哥大學對懸掛系統(tǒng)和光學器件的熱噪聲研究特別領先，在這方面做了特別大的貢獻。LIGO和VIRGO可以互相彌補觀測和技術(shù)升級的時間差問題。有些時候，同一個國家不同的組中是因為人才的交集，所以團隊也越來越多，比如培養(yǎng)的研究生和博士后找到工作后又加入的新科研組又加入了合作。 胡一鳴：關(guān)于研究團隊的數(shù)目巨大，我想補充一下：LIGO的建立需要全方面的努力，從材料、鍍膜、隔震、激光、真空，到超級計算機、數(shù)值相對論、快速信號處理、數(shù)據(jù)分析、快速空間定位、參數(shù)估計，每一個步驟，每一個細節(jié)，都凝結(jié)著研究人員數(shù)十年的積累和心血，看著簡單的幾個數(shù)字，每一步背后都是厚厚的幾十本博士論文。要實現(xiàn)LIGO對黑洞并合的探測，所需要解決的問題太多太多，自然需要很多研究團隊的合作。 >>>>Q：引力波能不能驗證有可以穿越維度的惰性中微子的存在? 陳雁北：惰性中微子的意思是要看引力波能不能對引力理論進行檢驗，從這個角度來講，如果我們把雙黑洞的引力波和廣義相對論的推論用更精確的方法來比對，就可以看到引力理論和廣義相對論的區(qū)別，從這個角度來說是可以對各種各樣的理論進行驗證或者證偽的。 >>>>Q：這次雙黑洞合并事件，有沒有可能找到電磁波段的對應源? 陳雁北：找到雙黑洞事件的電磁對應源比較難，因為在雙黑洞附近需要有很多氣體和磁場，才能夠激發(fā)出足夠可見電磁波。但是也有些科學家也覺得有可能，有文章表示，探測到一些雙黑洞事件周圍的伽馬射線暴。我認為這個問題現(xiàn)在還沒有定論。 >>>>Q：兩個探測器探測到的引力波有7毫秒時差。那么這探測的引力波是同一引力波源的同一引力波，還是同一引力波源的不同引力波? 陳雁北：引力波的發(fā)生是從雙黑洞發(fā)出來以后，相當于往水里扔一個石頭一樣，波在水面上有一個波前散開，在不同地方都可以觀測到這個波錢。從這個角度說，其實可以說是同一個波，只不過是同一個波的波前的不同的部分而已。 >>>>Q：此次的探測成功，兩位覺得最值得中國借鑒的經(jīng)驗是什么呢? 陳雁北：第一是大力支持風險比較大的項目。第二是美國科學家的研究方向不是固定的，在科學生涯中涉足多方向，跨領合作，比較靈活，這是我覺得有特色的地方。 >>>>Q：請問引力波能持續(xù)多長時間? 陳雁北：引力波在不同的波段(也就是頻率范圍)持續(xù)的時間是不同的，它的頻率和振幅也是隨時間變化的，這次探測到0.2秒的引力波，因為是存在在LIGO的可測范圍內(nèi)。這一段引力波其實本身存在了很長的時間，因為它的頻率比較低，沒有進入LIGO可測量的頻率范圍而已。從這兩個黑洞形成開始發(fā)出引力波，到他們并和，可能經(jīng)過上百萬年或者更長的時間，所以黑洞引力波的持續(xù)時間可以很長。還有一些引力波從宇宙大爆炸時就有了，這些引力波到現(xiàn)在就有140億年。 >>>>Q：宇宙中引力波多嗎?引力波間互相會產(chǎn)生沖撞和抵消的力嗎? 陳雁北：宇宙中會有各種背景和過程能產(chǎn)生引力波，我們探測精度有限，所以只能探測其中力度最強的。引力波之間的確會有沖撞和抵消，在物理上講就是波的疊加。 >>>>Q：怎么能夠從實驗或者觀測上驗證引力子是否存在呢? 陳雁北：想要觀測到引力量子效應，可以通過宇宙背景輻射的角度來看。因為宇宙背景輻射在理論上講，是在動態(tài)宇宙下，引力子對被動態(tài)產(chǎn)生的過程造成的，如果確定看出早期宇宙背景輻射的話，是可以推斷出引力子的存在的。但是現(xiàn)在認為，宇宙背景輻射在LIGO覆蓋的頻段上比LIGO的靈敏度低太很多，所以可能需要用其他的方法觀測。 >>>>Q：根據(jù)這次LIGO探測結(jié)果，能夠在多大程度上排除GR以外的其他相對論引力理論? 陳雁北：對于理論對比來說，我個人認為是有了良好的開端，但是還沒有特別深入的研究。比如，只能說引力子的質(zhì)量上限比以前低了十倍，但是很難說在多大程度上排除了其它的系統(tǒng)理論。 專家提問 主持人：最后，我們也請 陳雁北教授 和 胡一鳴博士 給群友和媒體朋友們各提一個問題。請群友回答，回答正確的群友可以獲得我們北京科技報|北科傳媒贈送的小禮品(共5份) 陳雁北：如果把地球的質(zhì)量變成一個黑洞，這個黑洞的大小應該有多大? 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 胡一鳴：LIGO引力波測量的精度需要達到10^-21，大概就是每米的長度上探測出10^-21米的變化來，如果這個尺子變成地球到太陽的距離，這個變化的范圍是多大? A.原子核大小 B.氫原子大小 C.頭發(fā)絲 D.豌豆 答案：氫原子大小 正確答對問題的5人微信昵稱：繪卷、ou、李年和、KEEPER-T、五十春秋，并獲得北京科技報《科技生活》周刊兩個月八期(含美國科普期刊《Popular Science》中文版兩期)贈閱。 特別感謝:中國科學院高能物理研究所研究員，中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任張雙南、西澳大學教授溫琳清和知識分子微信公眾號編輯部主任李曉明對本次交流給予的幫助。 |
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