陳雁北：“我們找到了引力波”

曹玲

發(fā)現(xiàn)者對引力波的發(fā)現(xiàn)能夠引發(fā)如此強烈的反應，多少有點意外。

一夜走紅

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

之前他從沒和媒體打過交道，也沒想到自己會一夜“爆紅”，成為媒體追逐的目標，還被諸多機構邀請回到國內(nèi)做報告，北京、上海、深圳、廣州……報告一場接著一場。

“可能是因為參與引力波研究的華人太少了，也可能因為消息一出我就寫了一篇文章。”陳雁北笑著撓頭說。

2016年2月11日，中國大年初四的晚上，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）負責人、加州理工學院教授戴維·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‘科學家？”到處找人采訪的中國媒體忽然發(fā)現(xiàn)，專門研究引力波的中國人很少，參與到LIGO項目中的中國人更少，核心團隊的華人科學家更是寥寥無幾。于是，自1999年就開始參與LIGO項目的陳雁北自然成了媒體追逐的對象，他在第一時間撰寫的一篇名為《愛因斯坦都不敢想象，我們真的探測到引力波》的文章也成了媒體學習的文本。

陳雁北很理解物理學界為何因這個新聞激動。100年前，愛因斯坦預言了引力波的存在。但是，愛因斯坦認為引力波極其微弱，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。

很長一段時間內(nèi)，物理學家搞不清楚什么是引力波，更沒想到這種波會有觀測上的價值。直到上世紀60年代，引力波的物理意義開始明朗，物理學家認為，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，在美國國家科學基金的資助下，美國科學家開始建造LIGO。對引力波探測最熱情的支持者之一是參與了《星際穿越》的明星科學家基普·索恩，他曾打賭在20世紀末就會探測到引力波。LIGO啟動的年代有很多反對建造大型引力波探測器的人，最有名的反對者是天文學家耶利米·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，認輸記錄上寫著：“我低估了LIGO完成觀測所需的時間?！?/p>

引力波理論的爭議由來已久，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，美國物理學家約瑟夫·泰勒和天文學家拉塞爾·赫爾斯利用射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一對脈沖雙星。1982年，他們通過其軌道頻率的演化，推斷出這個雙星正在丟失能量，而這個能量丟失率和引力波導致的真是一致。這給引力波的存在提供了一個強有力的間接證據(jù)，二者也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

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

因為引力波非常微弱，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)驗教訓并升級了激光干涉儀設備，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。LIGO官網(wǎng)上介紹，這相當于觀測從地球到比鄰星距離的尺度上比一根頭發(fā)絲還細的長度改變。

“引力波的測量難度非常高。引力波探測剛提出的時候，大家覺得這個精度不可能達到的。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?！蔽锢韺W界的反應對陳雁北來說一點也不奇怪，“這真的是一個很大的發(fā)現(xiàn)，也是各種技術的進步。”

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家蘇萌，他是美國麻省理工學院物理系研究員。蘇萌和中國科學院高能物理研究所的副研究員李虹討論過這個問題，或許是因為和愛因斯坦有關，引力波有個超級明星代言人，或許是這些年《星際穿越》、《三體》等科幻電影和小說對大眾進行了一番物理學基本概念的普及，或許是因為過年大家都沒上班……與“2014年美國科學家宣布發(fā)現(xiàn)原初引力波”相比，此次公眾關注的程度更大，蘇萌認為：“或許需要社會學家做一個調(diào)查研究一下為什么。”

“或許是因為越本質(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)于北京大學物理學系，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。去美國加州理工讀書的時候，他對今后的研究方向并沒有具體的想法。之前他沒有學過廣義相對論，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留學，學習電子工程，后來在北京做了北方交通大學的教授。家里人都希望陳雁北搞應用科學研究，覺得學了物理可以去硅谷找個工程師的工作，當年他也這樣想，可以多掙錢。

一個偶然的機會，他聽了索恩的《經(jīng)典物理學應用》課程，很喜歡這個教授的風格：知識豐富，特別能抓住問題的本質(zhì)，善于把復雜的問題講得簡單、清楚。陳雁北覺得自己當時數(shù)理基礎不是特別好，不敢搞特別抽象的高能物理理論，又手笨搞不了實驗，于是決定追隨索恩。

當時索恩正致力于他提出的LIGO項目的研究。1991年，在索恩的大力倡導下，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設LIGO。1999年11月，LIGO建成，耗資3.65億美元。當時陳雁北剛剛?cè)雽W，第一個研究項目就是和一個紅頭發(fā)的女博士后亞歷桑德拉·波南諾（Alessandra Buonanno）合作，研究Advanced LIGO的光學結(jié)構。如今波南諾是德國馬普引力物理所分管相對論天體物理學研究的領導，在這次引力波事件的分析中起到了決定性的作用。

當時，陳雁北看了論文覺得索恩分給他的研究很簡單，“不就是套公式，結(jié)果一下就算出來了”。他計算出一條曲線，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，讓他們重新計算。第二次計算的結(jié)果依然如此，他們說服了索恩。后來經(jīng)過仔細研究，他和波南諾發(fā)現(xiàn)這是一個新現(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)這個現(xiàn)象。

2005～2007年，LIGO進行升級改造，采用更高功率的激光器、進一步減少振動等，升級后的LIGO被稱為Advanced LIGO，他的研究應用到改造中?！叭绾卧O計光學系統(tǒng)的參數(shù)來降低噪聲，可能是我對LIGO最大的貢獻，這是靈機一動做出來的?！?/p>

陳雁北戲稱自己的發(fā)現(xiàn)是因為特別會考試，擅長解題，“懂的會做，不懂的也能做出來，是中國應試教育培育出來的‘典范”?！拔易鳂I(yè)做得特別好，給索恩留下了很深的印象?！?/p>

他的第二個貢獻，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。引力波的信號藏在噪聲中，如果信號比較弱看不到，但是知道信號的形狀，就可以很快找到這種形狀，提高信號提取的效率。

“很幸運選了索恩當導師，才進入這個領域?！标愌惚闭f。索恩的頭銜很多：美國LIGO聯(lián)合創(chuàng)始人、加州理工學院物理學教授、幾代前沿理論物理學家的導師、開創(chuàng)多個物理學分支領域的先驅(qū)、科幻電影編劇、科幻作家……

索恩是命名黑洞的物理學家約翰·惠勒的學生，理查德·費曼的師弟，還得到了錢德拉·薩爾卡的器重，這些都是物理學界大名鼎鼎的人物。索恩早年在普林斯頓做研究生的時候，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)的學說上做出了重要貢獻，從此便和黑洞結(jié)下了不解之緣。他依照個人興趣，在非常廣泛的領域開展了大量開拓性研究，開創(chuàng)了物理學多個分支領域，如雙中子星和雙黑洞的碰撞過程，量子力學和廣義相對論相關領域的計算、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系，所有學生的研究也都和引力波有關，起始點都是引力波?！标愌惚闭f。

索恩在不同年代培養(yǎng)的學生已成為活躍在廣義相對論、量子物理、實驗物理、天體物理、宇宙學等各領域的專家，引力波探測項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)布會上說，沒有索恩就沒有LIGO項目。正是索恩的視野、激情和推動力，讓整個科學界相信引力波可被探測。在陳雁北眼里，索恩是推動引力波探測研究合作、搭建整個研究理論框架、促成這一領域研究“大生態(tài)”的關鍵人物，是美國引力波探測項目公認的“代言人”，很有可能會得諾貝爾物理學獎?！八难芯坎皇巧钊胍稽c，提出一個新的理論，而是把一個領域的很多方向都推動起來?！?/p>

“索恩對物理的洞察力很強，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，相應體積中出現(xiàn)的概率比較大。”陳雁北笑著說：“結(jié)果果然是率先發(fā)現(xiàn)雙黑洞的引力波，他‘蒙對了。”

沒有被采用的故事

最初索恩對《星際穿越》的設想和LIGO有很重要的關系，他在《星際穿越》一書中記錄了這個故事。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探測到有史以來一次最前列的額引力波爆發(fā)，信號的振幅在反復漲落幾次后忽然停止，整個引力波暴只持續(xù)了幾秒鐘。通過對比觀測到的波形和超級計算機給出的數(shù)值模擬結(jié)果，布蘭德教授和他的團隊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)一起運動時，就會日復一日產(chǎn)生微弱但穩(wěn)定的引力波。

通過對這個穩(wěn)定的引力波信號進行認真研究，布蘭德教授確定了引力波源的方位。這個方位實在是太不可思議了，竟然一直指向一個環(huán)繞土星的衛(wèi)星軌道?！耙活w中子星圍繞土星公轉(zhuǎn)？不可能！一個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引力波探測器探測到。

但是導演諾蘭認為，即便不提引力波，電影中也已經(jīng)引入了足夠多的、嚴肅的科學理念。后來當編劇克里斯精簡電影中的科學元素時，引力波就成了自然的刪減對象。對索恩來說，這個決定還挺讓他難受的，畢竟LIGO是他半生的心血。如果當時電影采納了這個劇情，說不定全世界的觀眾就可以在大屏幕上一睹LIGO的風采：LIGO很像一個巨大的圓規(guī)，每條“腿”各有4000米長，一個分布在路易斯安那州列文斯頓的森林里，一個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工作的時候，陳雁北去過很多次觀測站，升級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，從飛機上就能看到地面有個這么大的家伙，檢測到的結(jié)果竟然能和實驗計算相吻合，每一次看到它都覺得很感動。

作為索恩的弟子，陳雁北并沒有腦洞大開設想什么科幻故事，他也不愛看科幻片。“很勉強地去看了《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》。有一次他和一個搞實驗物理的同事討論《生活大爆炸》，他問：“這個劇夸張嗎？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€學生很像劇中人物謝爾頓，思維敏銳、天分很高，對問題把握很好，但是和人交流得不好，有點像阿斯伯格綜合征，唯獨是對自己的評價沒有謝爾頓那么高。“搞理論物理的人和社會或多或少都有點脫節(jié)，有不接地氣的地方?！?/p>

但索恩不是這樣的人?！八軠睾停瑢θ丝蜌?，即便堅持自己的觀點也不會針鋒相對，很會處理人際關系。他的學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系都很好。

LIGO是一個很大的項目，參與者有1000多人，這么多年來來回回加入、退出了很多人，對于那些退出的研究者，陳雁北覺得不用后悔?！昂芏嗳嗽趪L試過人類歷史上最勇敢的科學探險之后，轉(zhuǎn)入其他科技行業(yè)，對社會做出了更直接的貢獻。”

在這次慶祝引力波探測成功的活動中，他碰到了三個曾經(jīng)在引力波領域工作過的人才。第一個是大衛(wèi)·李博士，他早年在引力波探測領域一位資深專家的指導下進行引力波探測中檢驗相對論的研究，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)在是加州理工大學的校董事會主席。第二個是山姆·魏德曼博士，在LIGO受過多年實驗物理訓練以后，他放棄了芝加哥大學的教職，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)，他帶領的小組首次使得私營公司的商用空間飛行器“龍飛船”為國際空間站運送貨物。第三個是更年輕的學生賽斯·哈德曼，在他的科研小組里面學習數(shù)值相對論后，進入了美國初創(chuàng)公司 Hyperloop（超級高鐵）任“懸浮工程師”，他告訴陳雁北，不久的將來，會出現(xiàn)15分鐘就能從洛杉磯到舊金山的超高速火車，這段旅程的票價只需15美元。

“LIGO訓練出來的人才，正在用更直接的方式為社會做出貢獻?！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、學會了很多東西。對于我來說，引力波的發(fā)現(xiàn)可能是一個轉(zhuǎn)折點，有趣的東西那么多，我還會研究點別的?！?