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。

　　翻页见知社学术圈对陈、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。

　　陈雁北（右）和范锡龙（左）在加州理工办公室

　　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。