将广义相对论研究带入新时代
——专访引力波探测专家加州理工大学教授陈雁北、清华大学博士后胡一鸣

来源:光明日报 2-14 詹媛


北京时间2月11日23点30分,美国国家科学基金会(NSF)宣布人类首次直接探测到了引力波,印证了100年前爱因斯坦对广义相对论的预言。2月13日,记者采访了引力波探测论文的参与作者、美国激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织核心成员、加州理工大学教授陈雁北和目前在德国马普引力物理所从事相关研究的LIGO科学合作组织成员、清华大学博士后胡一鸣,请他们就目前大家关注的热点问题进行回答。

更高灵敏度探测器6月将再度运行

记者:有科学家称,人类探测到引力波,如同一个失聪的人突然获得听觉,从此获得感知世界的新能力。那么,未来的研究计划如何,还会有新的引力波被发现吗?

陈雁北:今年6月我们还将进行下一次运行,下一次运行的探测器灵敏度还要高于去年。从理论上讲,当仪器灵敏度能够达到的时候继续观测,是有可能再次观测到的。所以说第一次的探测是新时代的开始,后续应该会有越来越多的引力波被探测到。实际上,第一次的数据还没有全部分析完,剩下的数据里也可能还会有引力波存在。

胡一鸣:对于下一次探测,根据黑洞并合事件的探测数,以及探测器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大概的认知。这个数字是非常令人振奋的。把所有的情况通盘考虑,我们预期可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(引力波)事件。

千余科学家反复验证分析后才宣布结果

记者:距离爱因斯坦预测其存在至今已有百年,可以说大家对它翘首以盼,但为什么这一发现却在探测到其信号半年以后才公布研究成果呢?

陈雁北:2015年9月14日,升级版LIGO探测器刚开始运行,就收到搜索引力波信号程序的提示,两个探测器均探测到抵达的一个强度指数高达24的信号,而通常这种信号强度只有10。但在探测器正式运行中,有研究团队会做“盲注”操作,就是偷偷加入一些模拟的引力波信号,让其他研究者在不知有信号注入的情况下客观检验探测的准确性。因此,必须先排除“盲注”,此后,1000多名科研人员开始对观测数据进行分析,分布在全球的多个超级计算机也开始进行大量数据验证。最终,翻来覆去把大量数据分析了多遍之后,科研人员才向全世界宣布结果。

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。

发现引力波的意义

记者:对于科学工作者而言,发现引力波意味着什么?对于普通人而言,它的存在与生活有什么密切联系吗?

陈雁北:有了这次的实验数据,就可以把理论和数据相比较,从而可研究黑洞的性质、探讨广义相对论的正确性、引力波的传播性质等问题。这个发现相当于把这个领域带入了一个新的时代,能够有更多的问题去研究,是一个挺重要的转折点。对于普通人而言,我想这样探索宇宙奥秘的研究,会衍生出很多科技上的其他方向和进步,对整个社会是非常基础的作用。

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。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,纳税人的钱扔给它只是为了听个响(我们的确听到了这一声黑洞的并合)。LIGO的建造,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,都纷纷衍生出创新公司,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。

工作像“码工”,却从没想过放弃

记者:网友将探测引力波称为“宇宙间最浪漫的相遇”。但其实身在其中的科学家可能并不觉得浪漫,毕竟可能要耗费一辈子的时间去等待一个似乎很渺茫的结果,你们日常的工作是什么样的?是否想过要放弃呢?

陈雁北跟大家想象中的科学家可能不太一样,我做的工作既不处理数据,也不观测仪器,主要是做一些纸和笔的计算,以及在计算机上进行小规模的数值模拟,看起来跟“码工”(程序员)没有太大区别。引力波的探测是一个很长的过程,已经花了几十年的时间,但我觉得即便没希望也无所谓,这个过程本身就很有意思,比如研究仪器的灵敏度、精度、噪声产生的物理根源、引力波源的性质,用广义相对论研究黑洞的碰撞等等。所以即便没有探测到引力波,我仍然很有兴趣,没想过放弃。现在探测到了,就要结合数据进行新的研究,那就更有趣了。

胡一鸣我日常的研究工作一句话就可以概括:每天上百封电子邮件,每天都有电话会议,有时候更多。双黑洞引力波的探测是一次惊世之作,但对于大众读者而言这不过是屏幕或者报纸上简单的几个数字,可我们在没有十二分自信之前,不敢轻易发布消息,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确认,浸满了汗水。可以说,我们发表的文章,两句三年得,一吟双泪流,却从没想过放弃。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。

2016年02月15日 19:31:18  清华新闻网

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