曹玲

發(fā)現(xiàn)者對(duì)引力波的發(fā)現(xiàn)能夠引發(fā)如此強(qiáng)烈的反應(yīng)，多少有點(diǎn)意外。

一夜走紅

美國(guó)加州理工學(xué)院物理學(xué)教授陳雁北最近在中國(guó)內(nèi)地成了名人。他引人注目的身份是LIGO科學(xué)合作組織核心成員，引力波論文作者之一。

之前他從沒和媒體打過交道，也沒想到自己會(huì)一夜“爆紅”，成為媒體追逐的目標(biāo)，還被諸多機(jī)構(gòu)邀請(qǐng)回到國(guó)內(nèi)做報(bào)告，北京、上海、深圳、廣州……報(bào)告一場(chǎng)接著一場(chǎng)。

“可能是因?yàn)閰⑴c引力波研究的華人太少了，也可能因?yàn)橄⒁怀鑫揖蛯懥艘黄恼??！标愌惚毙χ鴵项^說。

2016年2月11日，中國(guó)大年初四的晚上，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院教授戴維·萊茲（David Reitze）宣布，人類首次發(fā)現(xiàn)了引力波，并且首次觀測(cè)到了雙黑洞的碰撞與并合。消息一出就成了大新聞，第二天早晨微信朋友圈已經(jīng)被引力波刷爆，有人感慨：“怎么周圍忽然冒出來這么多‘科學(xué)家？”到處找人采訪的中國(guó)媒體忽然發(fā)現(xiàn)，專門研究引力波的中國(guó)人很少，參與到LIGO項(xiàng)目中的中國(guó)人更少，核心團(tuán)隊(duì)的華人科學(xué)家更是寥寥無幾。于是，自1999年就開始參與LIGO項(xiàng)目的陳雁北自然成了媒體追逐的對(duì)象，他在第一時(shí)間撰寫的一篇名為《愛因斯坦都不敢想象，我們真的探測(cè)到引力波》的文章也成了媒體學(xué)習(xí)的文本。

陳雁北很理解物理學(xué)界為何因這個(gè)新聞激動(dòng)。100年前，愛因斯坦預(yù)言了引力波的存在。但是，愛因斯坦認(rèn)為引力波極其微弱，在任何能想象的情況下都可以忽略。引力波微弱到什么程度呢？陳雁北舉了個(gè)例子，人類歷史上最大的氫彈爆炸，粗略估算一下離爆炸1米之內(nèi)的引力波振幅，只有10-27左右的量級(jí)。

很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，物理學(xué)家搞不清楚什么是引力波，更沒想到這種波會(huì)有觀測(cè)上的價(jià)值。直到上世紀(jì)60年代，引力波的物理意義開始明朗，物理學(xué)家認(rèn)為，引力波可以看成是引力相互作用的傳播，并且攜帶著引力能。

1981年，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助下，美國(guó)科學(xué)家開始建造LIGO。對(duì)引力波探測(cè)最熱情的支持者之一是參與了《星際穿越》的明星科學(xué)家基普·索恩，他曾打賭在20世紀(jì)末就會(huì)探測(cè)到引力波。LIGO啟動(dòng)的年代有很多反對(duì)建造大型引力波探測(cè)器的人，最有名的反對(duì)者是天文學(xué)家耶利米·奧斯特里克（Jeremiah Ostriker）。雖然索恩打賭曾經(jīng)贏了霍金不止一次，但是這次他輸了。他在加州理工的辦公室門外貼了很多曾經(jīng)的賭局，認(rèn)輸記錄上寫著：“我低估了LIGO完成觀測(cè)所需的時(shí)間?！?/p>

引力波理論的爭(zhēng)議由來已久，很多理論家甚至懷疑過這種波是否真的存在。愛因斯坦于1915年創(chuàng)立了引力波理論，但是他本人也曾經(jīng)至少兩次站到懷疑者之列。1975年，美國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·泰勒和天文學(xué)家拉塞爾·赫爾斯利用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一對(duì)脈沖雙星。1982年，他們通過其軌道頻率的演化，推斷出這個(gè)雙星正在丟失能量，而這個(gè)能量丟失率和引力波導(dǎo)致的真是一致。這給引力波的存在提供了一個(gè)強(qiáng)有力的間接證據(jù)，二者也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“在之后很長(zhǎng)時(shí)間里，物理學(xué)家已經(jīng)不懷疑引力波的存在。雖然堅(jiān)信引力波一定存在，但是什么時(shí)候能找到有著很大的不確定性?！标愌惚闭f。

因?yàn)橐Σǚ浅Ｎ⑷?，找到它必須有很高的靈敏度。在2010到2014年期間，一直沒有找到引力波的LIGO總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)并升級(jí)了激光干涉儀設(shè)備，使其靈敏度提升了10倍，能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)子尺度萬分之一的擺動(dòng)。LIGO官網(wǎng)上介紹，這相當(dāng)于觀測(cè)從地球到比鄰星距離的尺度上比一根頭發(fā)絲還細(xì)的長(zhǎng)度改變。

“引力波的測(cè)量難度非常高。引力波探測(cè)剛提出的時(shí)候，大家覺得這個(gè)精度不可能達(dá)到的。這么多年以后，大家覺得這些人做的果然還可以，我們找到了引力波。”物理學(xué)界的反應(yīng)對(duì)陳雁北來說一點(diǎn)也不奇怪，“這真的是一個(gè)很大的發(fā)現(xiàn)，也是各種技術(shù)的進(jìn)步?！?/p>

但是他不知道為什么在普通公眾眼里引力波也成了大新聞。有著同樣困惑的還有年輕的科學(xué)家蘇萌，他是美國(guó)麻省理工學(xué)院物理系研究員。蘇萌和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的副研究員李虹討論過這個(gè)問題，或許是因?yàn)楹蛺垡蛩固褂嘘P(guān)，引力波有個(gè)超級(jí)明星代言人，或許是這些年《星際穿越》、《三體》等科幻電影和小說對(duì)大眾進(jìn)行了一番物理學(xué)基本概念的普及，或許是因?yàn)檫^年大家都沒上班……與“2014年美國(guó)科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)原初引力波”相比，此次公眾關(guān)注的程度更大，蘇萌認(rèn)為：“或許需要社會(huì)學(xué)家做一個(gè)調(diào)查研究一下為什么。”

“或許是因?yàn)樵奖举|(zhì)的研究越難有重大發(fā)現(xiàn)，一旦有了發(fā)現(xiàn)，引起的反響越大?！标愌惚闭f。

加入LIGO

1999年，陳雁北本科畢業(yè)于北京大學(xué)物理學(xué)系，跟隨老師研究過電子在原子核的散射，以及凝聚態(tài)物理等問題。去美國(guó)加州理工讀書的時(shí)候，他對(duì)今后的研究方向并沒有具體的想法。之前他沒有學(xué)過廣義相對(duì)論，不知道引力波是怎么回事，也不甚了解基普·索恩。

陳雁北的父親曾在美國(guó)留學(xué)，學(xué)習(xí)電子工程，后來在北京做了北方交通大學(xué)的教授。家里人都希望陳雁北搞應(yīng)用科學(xué)研究，覺得學(xué)了物理可以去硅谷找個(gè)工程師的工作，當(dāng)年他也這樣想，可以多掙錢。

一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，他聽了索恩的《經(jīng)典物理學(xué)應(yīng)用》課程，很喜歡這個(gè)教授的風(fēng)格：知識(shí)豐富，特別能抓住問題的本質(zhì)，善于把復(fù)雜的問題講得簡(jiǎn)單、清楚。陳雁北覺得自己當(dāng)時(shí)數(shù)理基礎(chǔ)不是特別好，不敢搞特別抽象的高能物理理論，又手笨搞不了實(shí)驗(yàn)，于是決定追隨索恩。

當(dāng)時(shí)索恩正致力于他提出的LIGO項(xiàng)目的研究。1991年，在索恩的大力倡導(dǎo)下，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)LIGO。1999年11月，LIGO建成，耗資3.65億美元。當(dāng)時(shí)陳雁北剛剛?cè)雽W(xué)，第一個(gè)研究項(xiàng)目就是和一個(gè)紅頭發(fā)的女博士后亞歷桑德拉·波南諾（Alessandra Buonanno）合作，研究Advanced LIGO的光學(xué)結(jié)構(gòu)。如今波南諾是德國(guó)馬普引力物理所分管相對(duì)論天體物理學(xué)研究的領(lǐng)導(dǎo)，在這次引力波事件的分析中起到了決定性的作用。

當(dāng)時(shí)，陳雁北看了論文覺得索恩分給他的研究很簡(jiǎn)單，“不就是套公式，結(jié)果一下就算出來了”。他計(jì)算出一條曲線，并不懂其中的意義。他們把結(jié)果拿給索恩看，索恩很驚訝，覺得和自己想的不一樣，讓他們重新計(jì)算。第二次計(jì)算的結(jié)果依然如此，他們說服了索恩。后來經(jīng)過仔細(xì)研究，他和波南諾發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)新現(xiàn)象，LIGO干涉儀里光的力作用在鏡子上，就像彈簧一樣，光本身給鏡子產(chǎn)生彈簧力，這是第一次在LIGO中發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象。

2005～2007年，LIGO進(jìn)行升級(jí)改造，采用更高功率的激光器、進(jìn)一步減少振動(dòng)等，升級(jí)后的LIGO被稱為Advanced LIGO，他的研究應(yīng)用到改造中?！叭绾卧O(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)來降低噪聲，可能是我對(duì)LIGO最大的貢獻(xiàn)，這是靈機(jī)一動(dòng)做出來的?！?/p>

陳雁北戲稱自己的發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樘貏e會(huì)考試，擅長(zhǎng)解題，“懂的會(huì)做，不懂的也能做出來，是中國(guó)應(yīng)試教育培育出來的‘典范”?！拔易鳂I(yè)做得特別好，給索恩留下了很深的印象?！?/p>

他的第二個(gè)貢獻(xiàn)，是在2007～2008年做出一種方法，能夠較好、較容易地從LIGO數(shù)據(jù)中提取雙黑洞碰撞的引力波。引力波的信號(hào)藏在噪聲中，如果信號(hào)比較弱看不到，但是知道信號(hào)的形狀，就可以很快找到這種形狀，提高信號(hào)提取的效率。

“很幸運(yùn)選了索恩當(dāng)導(dǎo)師，才進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域?！标愌惚闭f。索恩的頭銜很多：美國(guó)LIGO聯(lián)合創(chuàng)始人、加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、幾代前沿理論物理學(xué)家的導(dǎo)師、開創(chuàng)多個(gè)物理學(xué)分支領(lǐng)域的先驅(qū)、科幻電影編劇、科幻作家……

索恩是命名黑洞的物理學(xué)家約翰·惠勒的學(xué)生，理查德·費(fèi)曼的師弟，還得到了錢德拉·薩爾卡的器重，這些都是物理學(xué)界大名鼎鼎的人物。索恩早年在普林斯頓做研究生的時(shí)候，和惠勒一起研究了引力塌縮的過程，在黑洞作為星體演化末態(tài)的學(xué)說上做出了重要貢獻(xiàn)，從此便和黑洞結(jié)下了不解之緣。他依照個(gè)人興趣，在非常廣泛的領(lǐng)域開展了大量開拓性研究，開創(chuàng)了物理學(xué)多個(gè)分支領(lǐng)域，如雙中子星和雙黑洞的碰撞過程，量子力學(xué)和廣義相對(duì)論相關(guān)領(lǐng)域的計(jì)算、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析等。

“他的所有研究都和引力波有關(guān)系，所有學(xué)生的研究也都和引力波有關(guān)，起始點(diǎn)都是引力波?！标愌惚闭f。

索恩在不同年代培養(yǎng)的學(xué)生已成為活躍在廣義相對(duì)論、量子物理、實(shí)驗(yàn)物理、天體物理、宇宙學(xué)等各領(lǐng)域的專家，引力波探測(cè)項(xiàng)目的研究人員也從最初的幾十人增加到如今遍及全球的數(shù)千人。

LIGO執(zhí)行主任戴維·萊茲在新聞發(fā)布會(huì)上說，沒有索恩就沒有LIGO項(xiàng)目。正是索恩的視野、激情和推動(dòng)力，讓整個(gè)科學(xué)界相信引力波可被探測(cè)。在陳雁北眼里，索恩是推動(dòng)引力波探測(cè)研究合作、搭建整個(gè)研究理論框架、促成這一領(lǐng)域研究“大生態(tài)”的關(guān)鍵人物，是美國(guó)引力波探測(cè)項(xiàng)目公認(rèn)的“代言人”，很有可能會(huì)得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！八难芯坎皇巧钊胍稽c(diǎn)，提出一個(gè)新的理論，而是把一個(gè)領(lǐng)域的很多方向都推動(dòng)起來?！?/p>

“索恩對(duì)物理的洞察力很強(qiáng)，比如他說雙黑洞引力波肯定比雙中子星早發(fā)現(xiàn)，很多人不信，認(rèn)為雙中子星是靠譜的波源。他的理由是，黑洞質(zhì)量比較大，引力波的振幅比較大，探測(cè)到的范圍比較廣，雖然黑洞碰撞本身的發(fā)生率比較小，但是范圍大了，相應(yīng)體積中出現(xiàn)的概率比較大?！标愌惚毙χf：“結(jié)果果然是率先發(fā)現(xiàn)雙黑洞的引力波，他‘蒙對(duì)了?！?h3>沒有被采用的故事

最初索恩對(duì)《星際穿越》的設(shè)想和LIGO有很重要的關(guān)系，他在《星際穿越》一書中記錄了這個(gè)故事。在他的想象中，電影故事發(fā)生之前的幾十年，布蘭德教授只有20多歲，是LIGO的副主任。2019年的一天，LIGO探測(cè)到有史以來一次最前列的額引力波爆發(fā)，信號(hào)的振幅在反復(fù)漲落幾次后忽然停止，整個(gè)引力波暴只持續(xù)了幾秒鐘。通過對(duì)比觀測(cè)到的波形和超級(jí)計(jì)算機(jī)給出的數(shù)值模擬結(jié)果，布蘭德教授和他的團(tuán)隊(duì)推斷出了這次引力波爆發(fā)的源頭——由中子星和黑洞組成的雙星系統(tǒng)。這顆中子星表面有一座微小的山脈，大約1厘米高，幾千米寬，但這座小山跟隨著中子星的自轉(zhuǎn)一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)日復(fù)一日產(chǎn)生微弱但穩(wěn)定的引力波。

通過對(duì)這個(gè)穩(wěn)定的引力波信號(hào)進(jìn)行認(rèn)真研究，布蘭德教授確定了引力波源的方位。這個(gè)方位實(shí)在是太不可思議了，竟然一直指向一個(gè)環(huán)繞土星的衛(wèi)星軌道。“一顆中子星圍繞土星公轉(zhuǎn)？不可能！一個(gè)黑洞和一顆中子星組成雙星系統(tǒng)，然后一起圍繞土星公轉(zhuǎn)？這更不可能！”

布蘭德教授能找到的唯一解釋就是：引力波來自一個(gè)靠近土星的蟲洞，而引力波源，也就是中子星-黑洞雙星系統(tǒng)一定是在蟲洞的另一端。引力波從雙星系統(tǒng)向外不斷傳播：一小部分引力波被蟲洞捕獲，通過蟲洞向外四面八方穿過太陽(yáng)系，這一小部分引力波中的一部分傳到地球，最終被LIGO引力波探測(cè)器探測(cè)到。

但是導(dǎo)演諾蘭認(rèn)為，即便不提引力波，電影中也已經(jīng)引入了足夠多的、嚴(yán)肅的科學(xué)理念。后來當(dāng)編劇克里斯精簡(jiǎn)電影中的科學(xué)元素時(shí)，引力波就成了自然的刪減對(duì)象。對(duì)索恩來說，這個(gè)決定還挺讓他難受的，畢竟LIGO是他半生的心血。如果當(dāng)時(shí)電影采納了這個(gè)劇情，說不定全世界的觀眾就可以在大屏幕上一睹LIGO的風(fēng)采：LIGO很像一個(gè)巨大的圓規(guī)，每條“腿”各有4000米長(zhǎng)，一個(gè)分布在路易斯安那州列文斯頓的森林里，一個(gè)分布在華盛頓州漢福德的荒漠里，從天上望去甚為壯觀。

第一代LIGO工作的時(shí)候，陳雁北去過很多次觀測(cè)站，升級(jí)之后就不需要專門去了，偶爾才過去交流。每次去他都很興奮，從飛機(jī)上就能看到地面有個(gè)這么大的家伙，檢測(cè)到的結(jié)果竟然能和實(shí)驗(yàn)計(jì)算相吻合，每一次看到它都覺得很感動(dòng)。

作為索恩的弟子，陳雁北并沒有腦洞大開設(shè)想什么科幻故事，他也不愛看科幻片?！昂苊銖?qiáng)地去看了《星際穿越》”，覺得“好吧，那就是黑洞了”，并沒有覺得奇妙，“只是覺得故事角度挺好，還挺感人”。

難得的是，他挺喜歡《生活大爆炸》。有一次他和一個(gè)搞實(shí)驗(yàn)物理的同事討論《生活大爆炸》，他問：“這個(gè)劇夸張嗎？我們是這樣的嗎？”結(jié)果同事回答：“你們搞理論物理的就是這樣?！?/p>

“《生活大爆炸》里有些人物很奇葩，但是人物的某些特質(zhì)還是可以從身邊的人中發(fā)現(xiàn)的。研究越抽象、越理論的人，可能和人的交流就不是特別好?！彼郧坝袀€(gè)學(xué)生很像劇中人物謝爾頓，思維敏銳、天分很高，對(duì)問題把握很好，但是和人交流得不好，有點(diǎn)像阿斯伯格綜合征，唯獨(dú)是對(duì)自己的評(píng)價(jià)沒有謝爾頓那么高?！案憷碚撐锢淼娜撕蜕鐣?huì)或多或少都有點(diǎn)脫節(jié)，有不接地氣的地方?！?/p>

但索恩不是這樣的人?！八軠睾?，對(duì)人客氣，即便堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)也不會(huì)針鋒相對(duì)，很會(huì)處理人際關(guān)系。他的學(xué)生都或多或少試著成為這樣的人?！睋?jù)陳雁北回憶，LIGO合作組一開始內(nèi)部有分歧，后來有些人離開了加州理工，但是所有人和索恩關(guān)系都很好。

LIGO是一個(gè)很大的項(xiàng)目，參與者有1000多人，這么多年來來回回加入、退出了很多人，對(duì)于那些退出的研究者，陳雁北覺得不用后悔。“很多人在嘗試過人類歷史上最勇敢的科學(xué)探險(xiǎn)之后，轉(zhuǎn)入其他科技行業(yè)，對(duì)社會(huì)做出了更直接的貢獻(xiàn)。”

在這次慶祝引力波探測(cè)成功的活動(dòng)中，他碰到了三個(gè)曾經(jīng)在引力波領(lǐng)域工作過的人才。第一個(gè)是大衛(wèi)·李博士，他早年在引力波探測(cè)領(lǐng)域一位資深專家的指導(dǎo)下進(jìn)行引力波探測(cè)中檢驗(yàn)相對(duì)論的研究，畢業(yè)后在電子通信行業(yè)、金融業(yè)取得了巨大的成果，現(xiàn)在是加州理工大學(xué)的校董事會(huì)主席。第二個(gè)是山姆·魏德曼博士，在LIGO受過多年實(shí)驗(yàn)物理訓(xùn)練以后，他放棄了芝加哥大學(xué)的教職，投入空間事業(yè)，在伊隆·馬斯克創(chuàng)建的Space-X公司主持飛行器傳感器的開發(fā)，他帶領(lǐng)的小組首次使得私營(yíng)公司的商用空間飛行器“龍飛船”為國(guó)際空間站運(yùn)送貨物。第三個(gè)是更年輕的學(xué)生賽斯·哈德曼，在他的科研小組里面學(xué)習(xí)數(shù)值相對(duì)論后，進(jìn)入了美國(guó)初創(chuàng)公司 Hyperloop（超級(jí)高鐵）任“懸浮工程師”，他告訴陳雁北，不久的將來，會(huì)出現(xiàn)15分鐘就能從洛杉磯到舊金山的超高速火車，這段旅程的票價(jià)只需15美元。

“LIGO訓(xùn)練出來的人才，正在用更直接的方式為社會(huì)做出貢獻(xiàn)?！标愌惚闭f，“參與LIGO的人并不一定一輩子都做引力波。在我科研生涯的前十幾年，我嘗試了、學(xué)會(huì)了很多東西。對(duì)于我來說，引力波的發(fā)現(xiàn)可能是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，有趣的東西那么多，我還會(huì)研究點(diǎn)別的?！?