原标题：陈雁北： 爱因斯坦都不敢想象， 我们真的探测到引力波！
100年前，当爱因斯坦预测引力波的存在的时候，他不曾想过，有朝一日，人类能够真正观测到应力波：这个效应是如此的微弱，无法察觉。
今天，2016年2月11日，北京时间23:30分，加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会，向全世界宣布: 我们真的探测到引力波!
相关论文，以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger为题，在Physical Review Letters上发表。论文作者包括清华大学LSC引力波研究团队。
知社学术圈特邀请论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院陈雁北教授，和中国引力波专家、湖北第二师范学院范锡龙博士，撰文介绍引力波探测漫长曲折而又激动人心的经历，和一些鲜为人知的花絮， 从300年前的引力，100年前相对论，一直讲到今天的引力波。
爱因斯坦都不敢想象，我们真的探测到引力波！
广义相对论中的时空几何，就是会让本来速度彼此平行的自由下落物体彼此接近或者远离。像牛顿引力中的苹果落地一样，广义相对论中的弯曲几何也可以用苹果解释。在苹果的表面，如果画一些起初平行的曲线，并且以同样的初速度从这些平行曲线出发。那么根据这些平行曲线的位置和走向不同，它们有的会彼此靠近（正曲率），有的会彼此远离（负曲率）。
爱因斯坦联系时空几何和物质分布的方程，可以写成一个非常简洁的张量形式：
在70年代，科学家又从数学上推断出黑洞的一些其他性质。一方面，数学家证明了一系列的“黑洞唯一性”定理，显示具有“视界”并且没有物质的时空只能是有限的几个黑洞的时空结构。另一方面，《黑洞微绕论》的创立让物理学家从直观上论证了在星体塌缩成黑洞的过程中，黑洞的几何结构产生的过程。当霍金等物理学家把量子力学用在黑洞上时，惊奇地发现，黑洞也会通过所谓的”霍金辐射”蒸发。
天文学中的黑洞
黑洞在数学上奇妙的性质，引起了人们的无限遐想，也成为科幻作品的重要题材。可是，它是不是真实的物理存在呢？科学上要证明一个物体的存在，至少要观测到它对别的物体的效应。
闭门造黑洞是不行的，要抬头看天！
天文观测中，科学家发现了一些疑似黑洞的物体。由于对爱因斯坦理论的信任和青睐，天文学家们一致认为这些物体就是黑洞。
第一类物体的质量是太阳的几倍到几十倍，它们存在于X-射线双星里，并且尺寸小于几十公里。按照广义相对论的计算，这样的物体必须是黑洞。这些物体发出的X-射线是由黑洞的伴星放出的气体在往黑洞下落的时候相互挤压、摩擦、加热发出的。
第二类物体是存在于星系中心的超大质量黑洞，具有可以超过几十、几百万倍的太阳质量，并且也有很小的尺寸，让大家推测这些也必然是黑洞。比如，在银河系的中心，就有一个四百万太阳质量的黑洞。在另外一些星系中，有气体不断掉入黑洞，在黑洞附近形成一个绕着黑洞旋转的“吸积盘”，并且在黑洞的旋转轴附近发出“喷流”。这样的一个系统叫做活动星系核，它会发射的强烈电磁辐射，是天文观测的一个重要目标。
还有一类物体是中等质量的黑洞。它们可能产生于小质量黑洞并合，或者小黑洞吃掉很多恒星，或者是通过宇宙早期的大质量恒星塌缩而形成。在某些低光度的活动星系核，超亮X-射线源和球状星团中有一些它们的踪迹。
这些天文学中的观测现象从一个侧面证明了黑洞的存在，但是目前还没法很精确的测定黑洞附近的几何结构。这些黑洞也都是随时间不变的稳定黑洞，它们周围的时空结构，在我们观测的这段时间内是不变的。
引力波
爱因斯坦在1916年就预言了引力波的存在: 他发现自己的方程有一组解，和电磁波的性质类似，以光速传播。但是他在文章里又说（下图中最后一句），因为这个引力波辐射的能量很少，在所有能想得到的情况下，引力波的辐射都可以被忽略。
在一个自由下落的物体参照系中，引力波可以看成是一个“潮汐引力场”。也就是说，距离这个物体越远的物体，它感受到的引力场越大。在自由物体之间，潮汐引力场会引起他们相对位移按比例的变化（也就是“应变”）。引力波的振幅h，通常就用这个应变来代表。
韦伯和他设计的共振棒探测器。引力波驱动铝棒两端振动，从而挤压表面的晶片，产生可测的电压。图片来自：马里兰大学。
虽然引力波这么微弱，但还是没有吓倒勇敢的实验物理学家Joe Weber。他深信，虽然地球上产生的引力波很微弱，宇宙空间中也许有天文现象可以导致足够强的引力波。20世纪60年代末期，Weber开始用共振法测量引力波。具体就是用一个很大的金属物体，利用引力波在物体的谐振频率上引起共振的特点，希望从这个物体的振动中提取引力波的信号。Weber发表了一些实验结果，认为已经发现了引力波。但是很可惜，他的实验没有人可以重复，而理论上也很难论证究竟是什么样的过程发出了这么强烈的引力波信号。但是，Weber的工作激励了一批科学家投身引力波事业。从20世纪70年代起，一批理论和实验物理学家加入了引力波理论研究和实验探测的行列。
MIT的实验物理学家Weiss注意到，引力波对物体之间距离的变化，和物体之间本来的距离成正比。这样的话，如果把物体之间的距离拉的很远，并且把它们做成镜子，然后用激光测距的方法测量镜子之间的距离，就可以成倍的提高对引力波测量的精度。
LIGO的灵敏度和运行
LIGO探测器在1999年最初建成，然后花了5年时间，在2005年到达了设计灵敏度，可以测量在60Hz以上，10kHz以下的引力波，位移变灵敏度达到10^-21。这是什么概念呢？这样的应变，如果是用到从地球到太阳之间的距离，导致的距离变化不超过头发丝的十万分之一。换算到千米量级的臂长，它对检验质量位移的灵敏度可以达到10^-18米，是原子核大小的1/1000！
LIGO为什么可以达到比原子核大小还要小的灵敏度呢？
从光学定位的角度考虑，这是因为LIGO用了很强的激光，并且使用了光学谐振放大的方法。每一个光子，可以对位置进行一个光波长左右的测量。而光子在谐振腔中反复传播100次，就可以测量光波长百分之一的距离变化，也就是10^-8米。如果用多个光子，灵敏度会按光子个数的平方根增加。于是，10^20个光子，就可以达到10^-18米的灵敏度了。
而从原子尺度考虑，则是因为LIGO的光束打在了很多个原子上，这个平均的效应让我们可以测量到比单个原子尺寸更小的位移。在2003到2009年这段时间，LIGO-1采集了一些数据，并且作出了分析。但是在这个数据里面并没有发现引力波。从2009到2015年，LIGO进行了历时6年的升级，从LIGO-1升级到LIGO-2，也就是Advanced LIGO。
世界各国的大型引力波探测器
在美国的LIGO计划开始之后，欧洲也开始进行引力波探测计划。目前，比较大型的探测器是由英国和德国合作，在德国Hannover附近建造的GEO 600探测器，以及由法国和意大利合作，在意大利Pisa附近的VIRGO探测器。GEO 600探测器的壁长是600米，而VIRGO的臂长是3000米。相比之下,VIRGO的造价和性能都远高于GEO 600，而和LIGO相当。
大家也许会问，为什么经济实力更强的英、德两国在引力波探测器的规模上竟然会比不过法意两国呢？据说，本来前西德也要建造一个4公里臂长的探测器。但是由于东西德合并，西德支持东德，这个经费就被砍掉了，只好建造一个600米的探测器。
最近，日本也开始建造大型的KaGRA引力波探测器。早年，在日本有一个TAMA300探测器，位于东京附近的三鹰市，在日本的国家天文台院内，臂长300米。日本科学家多年来一直致力于推动大型引力波探测，这个KaGRA项目终于在2008年立项。目前，这个探测器的建设已经基本完成，进入了调试阶段。
前些年，印度也开始加入了引力波探测的行列。LIGO实验室和印度引力波物理学界已经达成协议，计划把LIGO的一部分实验设备运往印度，并在印度开设一个LIGO-India的引力波观测站。
GW150914
正可谓“谋事在人，成事在天”。回顾一下150914，它的发现是和人类历史上许多伟大发现一样，是一个偶然。
发现
在LIGO的正式运行中，都会做一个Blind Injection的操作：就是让几个合作者在数据里面偷偷的加上一些模拟的引力波信号，并且把这些信号的参数保密。这样，其他处理数据的人就算是有所发现，也没法知道真假。直到最后一刻，主持人打开信封，宣布偷偷加上的信号的参数，大家才恍然大悟。Blind Injection不但会提高士气，也会杜绝泄密。这个方法在LIGO-1的运行中颇有成效。
在2015年9月份，LIGO开始了一次工程试运行（Engineering Run）。因为只是调试运行，盲注的机制都没有组织好，所以根本就没有盲注。没想到，有些事情不能随便试的，没开始几天就发现了一个置信度超高的引力波信号。这个信号大到什么程度呢？就是只做一些简单的滤波后就可以用肉眼在数据的波形中发现了。自己看数据吧：
从波的频率演化看，在低频的部分开始。
碰撞的三个阶段
第一阶段。两个黑洞的引力波频率从30Hz开始。这在引力波天文学中是比较低的频段，但是这就意味着黑洞是15Hz轨道频率。再具体点就是，这两个黑洞分别为36和30太阳质量，每个半径大约是一百公里左右，距离是一千公里，每秒钟互相转15圈。
第二阶段。到两个黑洞快并合的时候，引力波频率达到100Hz，轨道频率50Hz，就是每秒钟转50圈。这个时候两个黑洞已经快形成一体了，它们每个人“中心”之间的距离大概是两百公里左右。
第三阶段。然后，这个合并成一体的扭曲的黑洞继续震荡，逐渐变成一个新的、旋转的黑洞（科尔黑洞）。这个黑洞的质量是63个太阳质量，它的半径大约是160公里。在这个震荡的过程中，这个黑洞主要示发射频率在240Hz左右的引力波，说明它在以120Hz左右旋转，也就是每秒钟120圈。这个过程也可以看做是引力波在黑洞的“光球”周围绕转，并且逐渐逃逸到远处。
为什么最终的质量小于两个并合黑洞之和呢？我们不是说过引力波携带能量吗？有一部分的质量以引力波的形式被释放了。这些引力波携带的能量等于3个太阳质量，相当于百分之五的“质量”转化成了“能量。顺便说一句，号称宇宙中最亮的天体伽马射线暴一般释放几千分之一太阳质量所相当的能量。这次引力波功率峰值达到整个可见宇宙发光功率的50倍。
黑洞离地球的距离，是从引力波的绝对振幅所推断的。根据这个推断，我们得知碰撞过程发生在14亿光年以外。对应到标准宇宙学中的“红移”，这个事件所在的红移是0.09。在这个事件发生的时候，咱们的宇宙的“尺寸”是现在的91%。
意义
上面的三个过程，让我们第一次“亲眼看到”了黑洞的存在。由于引力波可以看成是直接推动了镜子的机械振动，我们也可以说是亲耳听到了黑洞的存在！
为什么我们知道是两个黑洞变成一个黑洞呢？下面我们给一个粗略的解释。单个物体的质量，可以从是通过波形的振幅和频率随时间演化所测定的。而上面第一、二个阶段的转换，可以让我们推测出每个物体的尺寸，从而断定它们都是黑洞。第三个阶段，波形的频率和衰减率可以让我们推断出最后形成黑洞的“光球”的存在和光球附近的几何结构。
LIGO科学家还从这个引力波的波形， 对相对论的预言做了一定的检验，并且在统计误差范围之内没有发现和相对论的区别。粗略的说，就是在波形的不同时间、不同频段，和相对论预言的吻合程度相对一致，没有发现系统的差别。
其中一个比较有特色的检验就是关于引力波的传播速度的检验。没有其他方法比较，怎么能说明引力波是以光速传播呢？简单的答案就是，对于这个事件，由于没有其他方法比较，只能间接的对引力波的传播做一个检验。由于在不同频段波形和广义相对论的预言吻合，我们可以推断，引力波在不同频率上的传播速度一致。不同频率上传播速度一致的波，根据“狭义相对论协变性”的要求，一般来说应该是以光速传播的。于是，从这个意义上讲，这次也算是部分、间接的验证了引力波以光速传播这个性质。
引力波天文学
直接探测到双黑洞的碰撞，只是引力波天文学的开端。就算你猜中开头，也绝猜不到结尾！因为没有结尾！
对于双黑洞引力波的研究，GW150914只是一个开端。更多的双黑洞事件，会让我们更详细的了解黑洞附近的时空几何，以及黑洞碰撞时候时空的几何动力学性质。下一步使用LIGO，我们还期待着双中子星、黑洞中子星碰撞的发现。这些，还会让我们了解中子星的内部结构。更进一步的，LIGO还希望可以探测到从单个中子星发出的连续引力波辐射，甚至是背景引力波辐射。LIGO打开了一扇探索宇宙的新窗口，更令人兴奋的是一些未知源的引力波爆也可能被探测到。
大部分引力波源发射引力波的时候也发射传统天文学的“信使”：电磁波，中微子和宇宙线。 结合传统天文学的信使，引力波－多信使对应体－宿主星系这一体系的进一步联合观测将不但有利于提高引力波的定位和参数估计精度，还能提供对于引力波多信使对应体本质的更多理解。
在Advanced LIGO之后，我们希望能提高地面引力波探测器的精度，从而探测到更多的双黑洞，双中子星，中子星－黑洞双星等事件；这将提供关于详细的黑洞形成和演化的更确切数据，更可以使我们直接推断中子星状态方程，暗能量状态方程等等物理学、天文学、宇宙学更为有趣的问题。增加更多的事件、并且探测到更高信噪比的信号，也有利于精确的研究黑洞的性质，与广义相对论做更详细的比对。
更进一步，我们要在空间建立引力波探测器。在空间，物体之间的距离更长，而且没有地面上振动的扰动，让我们可以观察低频率的引力波，可以探索超大质量黑洞绕转和小黑洞围绕大黑洞旋转等有趣的现象，从而了解星系形成的过程和进一步了解黑洞周围的时空结构。
知社学术圈对陈、范两位老师独家采访
陈雁北，加州理工学院物理学教授，美国物理学会会士。2003年在Kip Thorne指导下从加州理工学院获得博士学位。2007年回加州理工任助理教授，2013年升任正教授。
范锡龙，湖北第二师范学院物理学副教授，中国引力与相对论天体物理学会会员。2006年-2007年访问德国马普所引力物理研究所1年，跟随陈雁北、温琳清等人学习。2008年在朱宗宏教授指导下获得北京师范大学硕士学位。2012年获得意大利里雅思特大学博士。曾获得英国皇家学会“ Newton International Fellowships ”和中国国家自然科学基金资助。
知社： 能不能介绍一下您在LIGO科学联盟中的工作，以及对引力波探测的贡献？
陈雁北：我在1999年进入Caltech的时候，本来没有太多的目的性。但是听了Kip Thorne讲课，觉得他这个教授比较有意思：不但兴趣广泛，而且往往能把很复杂的问题用很简单的方法搞定。我那时候觉得我自己数理基础不是特别好，不敢搞特别抽象的高能物理理论，手又笨搞不了实验，于是就决定追随Kip Thorne。
从1980年开始，Kip Thorne和他的学生Carlton Caves，以及合作者，莫斯科大学的Vladimir Braginsky和Farid Khalili在对LIGO灵敏度的研究中，涉及到了对单个量子物体连续测量的理论，我刚入学的时候对这个问题特别感兴趣。
我一开始是和一个博士后，Alessandra Buonanno，一起做一些量子光学的计算。现在Alessandra是德国马普引力物理研究所的Director之一，在这次引力波事件的分析中起到了决定性的领导作用。后来这些就可以用来计算Advanced LIGO这个光学结构下光的量子涨落所导致的噪声。其实我们的公式到现在还没有用上，因为Advanced LIGO还没有用到足够的激光光强。我后来就一直继续对量子噪声的计算，和下一代LIGO的光学设计的研究。我在博士期间第二个工作，也是和Alessandra以及另外两个研究生Michele Vallisneri、潘奕一起，研究在第一代LIGO中怎么最优的提取出双黑洞的信号。在那个时候，数值相对论的模拟还不成熟，所以我们都是考虑怎么把微扰论的结果用在LIGO的数据分析上。
博士毕业以后，我到德国的马普引力物理研究所，并且继续参与LIGO的研究。我在Caltech做博士的最后几年，以及在德国的时候，initial LIGO在提取数据，但是没有探测到引力波。但是由于那时候大家觉得LIGO也有可能发现引力波，德国的洪堡基金会发给了我一个Sofja Kovalevskaya Award，让我领导了一个科研小组。那几年我主要是研究宏观物体的量子测量问题，以及怎么样用LIGO同时作为检验量子力学的工具。我也同时和日本国家天文台的川村教授合作了一些空间引力波探测器的设计，还和马普所的博士后温琳清（现在在西澳大利亚大学）合作了多探测器引力波数据分析策略的研究。我也同时做了一些空间引力波探测器的设计、以及引力波数据分析策略的研究。我和那时候马普的研究生P. Ajith、博士后Martin Hewitson一起发明的Phenominological Template Bank，现在是LIGO双黑洞数据处理中的一个重要方法。
回到Caltech以后，我继续做量子测量、LIGO光学设计的研究，也和Caltech的Rana Adhikari教授合作，做了一些LIGO中光学器件热噪声的研究。在广义相对论方面，我开始研究黑洞微扰论，并且开始研究黑洞合并时候几何动力学的一些特点。在数据分析方面，我和西澳大学的温琳清教授合作，发展了一个快速提取中子星并合波形的数据处理方案。这个方案正由温教授实施在LIGO中。
知社：对探测如此微弱的引力波，刚开始的时候有没有信心，中间有没有产生怀疑，看到这个数据的时候，是什么样的一种心情？
陈雁北：对于我个人来说，LIGO给了我一个很好的机会，让我可以研究各种各样的物理问题。就算LIGO没有探测到引力波，其中也有很多有意思的问题可以研究。比如量子光学，比如广义相对论和黑洞物理，比如数据分析的方法，还有非平衡态热力学的一些知识。在我科研生涯的前十几年，我觉得我尝试了、学会了很多东西。对于我来说，双黑洞探测的成功也许是一个转折点，我以后可能要更集中精力研究和黑洞有关的问题。
范锡龙：第一次注意到这个事件的时候是在北京师范大学，那时候我和其他同事正筹划召开一个引力波天文学研讨会，再加上之前有过盲注，就没在意。2015年9月16日左右，我和来自英国格拉斯哥大学LVC成员早餐时间在师大餐厅讨论这个信号，我的观点是如果是真的就太幸运了，我不相信。有趣的是，因为保密原则，我们不能提及任何引力波的事情。旁边的人如果认真偷听，会听到英文版的：“那个事（the event）是真的吗？”“可能吗？不会吧！”“那个事很太明显！”之类的谈话。我们谈话期间，天文系朱宗宏老师走了过来，他是非lvc成员的引力波专家。那情形就是我们突然停住了谈话，大家相互张望，异常有趣。
我对于信号的怀疑程度的变化直到开了一次lvc电话会议，盲注团队说没有任何已知信号注入行为，然后仪器团队说数据很干净。我当时有一丝丝相信我们可能真的做到了。2016年1月22日凌晨1点36分，经过了浑身颤抖的短暂等待，我泪流满面，因为lvc电话会议宣布：lvc集体投票决定第10版“探测文章”可以投稿。我知道，我们做到了。
直到现在，一想到这个发现，我还是心跳加速。
知社：这样的天文事件，几率有多大？ 调试运行，就测到如此强大信号，是不是很幸运？ 以后会经常性的探测到么？
陈雁北：天文观测不能完全碰运气。对于LIGO，我们是根据天文学中一些知识，推断出在一定灵敏度下，单位时间能够探测到事件的概率。虽然这个概率本身也有很大的不确定性，但是LIGO在设计的时候，也考虑到了这个问题。所以，从一定程度上说，Advanced LIGO能探测到这个事件也不是很意外的事情。而initial LIGO什么都看不到，也是意料之中的。既然我们已经在这个灵敏度下探测到了一个事件，这就意味着势必会有更多的事件被探测到。
知社：LIGO探测到引力波，对中国的天琴计划，有什么样的影响？
陈雁北：中山大学的罗俊院士，是中国引力物理界的领军人物。他对引力常数的测量，引力定律的检验的研究，都处于世界的前沿。罗院士的团队最近提出的《天琴计划》，是在空间中测量引力波。空间中，我们可以测量频率更低的引力波。一方面，可以从侧面验证LIGO引力波源、引力波传播的性质，另外一方面，也可能探测到大质量甚至超大质量的黑洞。我希望这次LIGO对引力波的探测，对天琴计划是一个推动。
知社：引力波速度与光速一致，这里面有什么内在联系么，还是纯属巧合？ 有没有可能给大一统理论指引一个方向？
陈雁北：这是一个很深刻的问题。在广义相对论里面，当引力波和光波的波长远小于时空曲率半径的时候，它们的传播都可以看成是沿着所谓的“类光测地线“传播。所谓类光地线，可以说是在时空几何中，想逃离一个点，最最快的一个路径。当波长可以和时空曲率半径相比的时候，引力波和光波的传播时不同的。这次探测到的引力波，波长远远小于宇宙空间中的时空曲率半径，所以传播速度应该是和光一样。引力波的存在，以及引力波以光速传播本身，在理论物理中已经是非常公认的一个现象。所以探测到引力波本身，应该不能对大统一理论作出贡献。
知社：最后替科幻迷问一个问题，能不能借助引力波，实现星际航行和时空穿越？
陈雁北：前些年，在德国的时候，我有一个来自日本的博士后，叫做宗宫健太郎。宗宫教授是实验物理学家，现在是东京工业大学的副教授，是日本引力波探测器KaGRA的重要参加者。宗宫教授和我一样，都是《机器猫》迷。当年在德国的时候，我们经常开车从波茨坦去汉诺威，路上就会聊天。记得他跟我说过，他当年参与引力波的原因就是因为他觉得发现了引力波，发现黑洞，就是造出机器猫里面的“时间机器”的第一步。
也许宗宫教授当年比较幼稚，但是，我们不要忘记Joe Weber的“幼稚”导致了50年后今天对双黑洞的发现。如果通过引力波观测，我们探测到任何跟现在的广义相对论推断所不符的线索，那么就有可能导致基础理论的突破。
