搜尋引力波

嚴(yán)小平

科學(xué)家正在尋找阿爾伯特·愛因斯坦于1916年提出的“時(shí)空經(jīng)緯中的漣漪”。

在美國(guó)的兩個(gè)邊遠(yuǎn)地區(qū)——一個(gè)位于路易斯安那州利文斯頓附近的沼澤地和柏樹林中，另一個(gè)位于華盛頓里奇蘭外干旱荒蕪的平原上，科學(xué)家小組正在調(diào)試有史以來最大、最靈敏的測(cè)量?jī)x器。這套儀器是激光干涉儀引力波天文臺(tái)組件，用于觀測(cè)被稱為引力波的自然現(xiàn)象。早在1916年，著名德國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦就預(yù)見了這種現(xiàn)象。

正如水波能夠在靜靜的池塘表面泛起漣漪一樣，引力波就是時(shí)空經(jīng)緯中的漣漪。2001年，大多數(shù)科學(xué)家對(duì)引力波的存在深信不疑，盡管事實(shí)上還沒有人直接觀測(cè)到。1993年，兩名美國(guó)人，拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒，就因發(fā)現(xiàn)引力波存在的令人信服的間接證據(jù)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。對(duì)許多科學(xué)家來說，這個(gè)證據(jù)足以吸引他們奔赴遙遠(yuǎn)的引力波天文臺(tái)前哨。

激光干涉儀引力波天文臺(tái)是麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院聯(lián)合創(chuàng)建的。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金為建造激光干涉儀引力波天文臺(tái)提供了大約3億美元的資金，這是這個(gè)機(jī)構(gòu)資助的最大項(xiàng)目。

什么是引力？

引力就是把我們的雙腳控制在地面的吸引力，也是保持行星圍繞恒星旋轉(zhuǎn)的吸引力。盡管引力在人類活動(dòng)中扮演著主要角色，但較之把原子聚在一起的電力，它還是一種很微弱的力。例如，一個(gè)電子和一個(gè)原子核之間的引力，只是它們電吸引力的1/10⁴¹。

對(duì)引力的研究可回溯到人類早期的科學(xué)。公元前4世紀(jì)，希臘哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為，重的物體比輕的物體下落得更快。人們一直接受這種觀點(diǎn)，直到17世紀(jì)早期，意大利天文學(xué)家和物理學(xué)家伽利略的研究顯示，引力對(duì)所有下落的物體同樣加速，不管它們的質(zhì)量大小。伽利略讓不同質(zhì)量的球落下，發(fā)現(xiàn)它們幾乎同時(shí)到達(dá)地面。

在伽利略研究的基礎(chǔ)上，英國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家艾薩克·牛頓對(duì)引力做了仔細(xì)研究之后，1687年發(fā)表了萬有引力定律。這個(gè)定律稱，宇宙中的每一個(gè)物體都會(huì)以一種力吸引每一個(gè)其他物體，引力的大小與這些物體的質(zhì)量以及它們之間的距離有關(guān)。牛頓沒有嘗試解釋引力是怎么產(chǎn)生的，只是說這是一種瞬間穿過真空的神秘的力。

牛頓理論一直是物理學(xué)的基礎(chǔ)，直到1915年，阿爾伯特·愛因斯坦提出一種新的引力理論。在愛因斯坦稱為廣義相對(duì)論的理論中，空間本身就在引力中起著積極作用。愛因斯坦將三維時(shí)空的概念結(jié)合到被稱為“時(shí)空”的實(shí)體中。他沒有把空間看成虛無，而把它描述成有著幾何特性的真實(shí)的“織物”，在這個(gè)“織物”里，它可以被物體扭曲。愛因斯坦推斷，引力是由于一個(gè)諸如太陽這樣的巨大物體扭曲了它周圍的空間而產(chǎn)生的，空間的扭曲是由太陽的質(zhì)量使地球和其他行星一直環(huán)繞太陽運(yùn)行造成的。為了使愛因斯坦的概念形象化，讓我們想象在蹦床上放一個(gè)保齡球。保齡球的重量會(huì)在蹦床上壓出一個(gè)坑，這時(shí)，較小的物體如彈珠之類就會(huì)滾進(jìn)這個(gè)坑里。行星由于環(huán)繞軌道運(yùn)動(dòng)而沒有“滾”入太陽，因?yàn)檫@個(gè)運(yùn)動(dòng)提供了對(duì)太陽引力的一種平衡力。

牛頓認(rèn)為引力效應(yīng)是瞬間發(fā)生的，而愛因斯坦則推論引力效應(yīng)以光速移動(dòng)。按照牛頓的觀點(diǎn)，如果一顆恒星突然增加10%的質(zhì)量，宇宙中所有其他天體就會(huì)立即受到這顆恒星增加的引力的影響。而按照愛因斯坦的觀點(diǎn)，這種效應(yīng)會(huì)以光速?gòu)倪@顆恒星向外輻射。

廣義相對(duì)論發(fā)表以來，就成為科學(xué)家理解引力的基礎(chǔ)，并且不斷被牛頓理論所不能解釋的小效應(yīng)觀察所確認(rèn)。愛因斯坦有關(guān)“存在扭曲空間物質(zhì)”的理論引發(fā)了一種觀點(diǎn)，認(rèn)為空間猛烈事件必然導(dǎo)致空間“織物”中的大扭曲——“空震”，并產(chǎn)生最終會(huì)到達(dá)地球的漣漪。當(dāng)天體彼此螺旋式地相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)以引力波的形式向外輻射而損失能量，最后的碰撞會(huì)釋放出巨大的引力能。

科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)引力波穿越一定的空間范圍時(shí)，它會(huì)向一個(gè)方向延伸，并同時(shí)擠入垂直方向。波的這種運(yùn)動(dòng)叫做四極輻射。一個(gè)飄浮在空震震源附近的人會(huì)先被拉伸，然后像引力波經(jīng)過一樣被擠過。

努力發(fā)現(xiàn)最微弱的引力波

2001年，在證實(shí)引力波存在的過程中，留下了愛因斯坦理論最重要且可測(cè)試的一項(xiàng)證據(jù)。然而，探測(cè)引力波對(duì)科學(xué)家來說是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。雖然猛烈事件引發(fā)了空震，但當(dāng)引力波從遙遠(yuǎn)的地方到達(dá)地球時(shí)，它們已極其微弱，很難檢測(cè)得到。這很像一塊石頭掉進(jìn)一個(gè)巨大湖泊的湖心時(shí)所漾起的水紋：在撞擊的位置，波紋很大，當(dāng)波紋向外輻射的時(shí)候，就會(huì)減小，而當(dāng)波紋到達(dá)岸邊的時(shí)候，就變得幾乎察覺不到了。

專家推論，穿過地球的引力波只有極其微小的效應(yīng)，以致當(dāng)它擠壓并延伸一個(gè)巨大的物體，如金門大橋這樣的物體時(shí)，其距離大約只有一個(gè)質(zhì)子直徑的1‰。因此，這一效應(yīng)很難被檢測(cè)到。

搜尋引力波的嘗試始于20世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家約瑟夫·韋伯開始建造了一系列越來越靈敏的探測(cè)器，它們都以同樣的原理運(yùn)轉(zhuǎn)。韋伯將一個(gè)很大的鋁棒掛在細(xì)金屬線上，使之不受地面震動(dòng)的影響。他推斷，如果引力波穿過這根鋁棒，鋁棒就會(huì)震動(dòng)。因?yàn)轫f伯知道這樣的震動(dòng)極其微弱，所以他將這根鋁棒連接到靈敏的探測(cè)器上。探測(cè)器由特殊晶體組成，這種晶體受到非常微小的壓縮也會(huì)產(chǎn)生電流。穿過鋁棒的引力波會(huì)壓縮這些晶體而產(chǎn)生電流，這是引力波存在的標(biāo)志。自20世紀(jì)60年代末開始，韋伯聲稱他每天都檢測(cè)到了引力波，但其他科學(xué)家用甚至更靈敏的相同設(shè)計(jì)，卻沒能復(fù)制他的結(jié)果。大多數(shù)物理學(xué)家最后摒棄了韋伯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，稱他的鋁棒探測(cè)器太過粗糙。雖然如此，科學(xué)家還是把他視為引力波研究領(lǐng)域的開拓性人物。

1974年，畢業(yè)于麻省州立大學(xué)的天文學(xué)研究生拉塞爾·赫爾斯和他的導(dǎo)師約瑟夫·泰勒的一項(xiàng)共同意外發(fā)現(xiàn)，最終開啟了搜尋引力波的新窗戶。在波多黎各的阿雷西博天文臺(tái)，赫爾斯利用當(dāng)時(shí)世界上最強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡，搜尋被稱為中子星的星球。

中子星是已知最小最致密的恒星。當(dāng)一顆巨大的恒星耗盡燃料，在自己引力的作用下坍塌的時(shí)候，中子星誕生了。這時(shí)，這顆恒星會(huì)經(jīng)歷一次巨大的爆炸，即超新星爆發(fā)。在爆炸過程中。這顆恒星會(huì)拋掉它的外層，留下主要由中子構(gòu)成的致密的核。大多數(shù)中子星約30千米寬，其質(zhì)量比太陽還大。

赫爾斯特別想找到一種被稱為脈沖星的中子星。脈沖星是迅速旋轉(zhuǎn)的中子星，發(fā)出一種無線電波窄波束。脈沖星旋轉(zhuǎn)時(shí)，無線電波束就像旋轉(zhuǎn)的燈塔一樣掃過太空。如果脈沖星與地球排成一線，以便每次旋轉(zhuǎn)電波都能掃過地球，那么，射電望遠(yuǎn)鏡就能探測(cè)到以重復(fù)脈沖形式出現(xiàn)的電波。

然而，赫爾斯發(fā)現(xiàn)的脈沖星表現(xiàn)出令人不可思議的特性。大多數(shù)脈沖星發(fā)出的脈沖非常規(guī)則，任何變化都需要最精確的時(shí)鐘才能檢測(cè)到。而赫爾斯發(fā)現(xiàn)的脈沖星卻在以變化的速率發(fā)出脈沖，這種模式每7小時(shí)45分鐘重復(fù)一次。

赫爾斯和泰勒推斷，如果脈沖星在圍繞一顆看不見的伴星旋轉(zhuǎn)的話，這樣的變化就可以得到解釋。這樣的運(yùn)行軌道會(huì)導(dǎo)致脈沖星發(fā)射的脈沖被多普勒效應(yīng)壓縮和延展。多普勒效應(yīng)是以澳大利亞物理學(xué)家克里斯琴·多普勒的名字命名的，即移向或飛離觀測(cè)者的聲波、光波或無線電波波長(zhǎng)的變化。例如，對(duì)一個(gè)立在站臺(tái)上的觀測(cè)者來說，一列進(jìn)站的火車的汽笛聲似乎很大，因?yàn)樵诨疖嚨膫魉头较蛏下暡ū粔嚎s了，聲波的頻率也就增加了。

引力波的間接證據(jù)

當(dāng)赫爾斯的脈沖星在它的軌道上飛向地球的時(shí)候，無線電波出現(xiàn)得更加頻繁。當(dāng)脈沖星飛離地球的時(shí)候，脈沖的頻率就減少。然而，因?yàn)榘l(fā)生變化的整個(gè)周期如此之短，這顆脈沖星不可能圍繞一顆標(biāo)準(zhǔn)的恒星旋轉(zhuǎn)。典型的雙星系統(tǒng)成員——兩顆恒星圍繞一個(gè)共同的引力中心旋轉(zhuǎn)——因?yàn)樗鼈兿喔舴浅＿b遠(yuǎn)，要花數(shù)月或數(shù)年才運(yùn)行完一圈?？茖W(xué)家估計(jì)，這顆伴星也一定是一顆質(zhì)密天體，很可能是另一顆中子星。赫爾斯和泰勒發(fā)現(xiàn)了第一顆脈沖雙星。

在赫爾斯和泰勒的發(fā)現(xiàn)提出之前，科學(xué)家就推斷，在一顆雙星中出現(xiàn)的超新星，會(huì)摧毀這顆伴星。但赫爾斯發(fā)現(xiàn)的這顆脈沖星，似乎是雙星系統(tǒng)的成員，在這個(gè)系統(tǒng)中，兩顆恒星都成了超新星而并沒有相互摧毀。泰勒意識(shí)到，由于中子星如此巨大，一對(duì)中子星靠得這樣近運(yùn)行，會(huì)扭曲空間“織物”而足以產(chǎn)生巨大的引力波。這些引力波會(huì)從這兩顆恒星帶走能量，使它們逐漸相互呈螺旋形相對(duì)運(yùn)行。泰勒預(yù)計(jì)，經(jīng)過數(shù)月或數(shù)年的周期，這種變化就會(huì)變得可測(cè)。愛因斯坦的廣義相對(duì)論可用于計(jì)算這些軌道收縮的速度。

赫爾斯畢業(yè)后開始了另一個(gè)領(lǐng)域的研究，但泰勒還繼續(xù)觀察那顆后來被稱為“赫爾斯一泰勒脈沖星”的恒星。到1978年，泰勒已收集了足夠多的資料，顯示赫爾斯一泰勒脈沖星及其伴星每年相對(duì)移動(dòng)大約1米，與愛因斯坦的預(yù)言大體上一致。1993年，赫爾斯和泰勒也因此被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盡管這個(gè)證據(jù)支持引力波的存在，但由脈沖星產(chǎn)生的引力波很微弱，在地球上很難被測(cè)到?？茖W(xué)家估計(jì)，在大約2億年內(nèi)，脈沖星將與它的伴星相撞，會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的引力波爆發(fā)，那時(shí)，地球上就可以測(cè)到這些引力波了。中子星與其他如黑洞這樣的質(zhì)密天體相撞而引發(fā)的空震，正是引力波天文臺(tái)要探測(cè)的干擾形態(tài)。兩個(gè)黑洞間的碰撞會(huì)產(chǎn)生可以想象的最強(qiáng)大的引力波。如果這樣的碰撞發(fā)生在距離地球大約3億光年之內(nèi)，激光干涉儀引力波天文臺(tái)都能探測(cè)得到。

然而，對(duì)引力波研究來說，科學(xué)家認(rèn)為這樣的碰撞并不普遍。他們估計(jì)，激光干涉儀引力波天文臺(tái)每年可能觀測(cè)不到一次這樣的爆炸，更不必說頻繁地觀測(cè)到對(duì)撞中子星的引力波了。

建造與運(yùn)作

激光干涉儀引力波天文臺(tái)是美國(guó)麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家倫納·維斯的杰作。20世紀(jì)70年代初，他第一個(gè)提出建造這樣的裝置。激光干涉儀引力波天文臺(tái)的靈敏度不僅比約瑟夫·韋伯的探測(cè)器高數(shù)百萬倍，而且可檢測(cè)更寬頻率的引力波。

激光干涉儀引力波天文臺(tái)實(shí)際上是一臺(tái)巨大的干涉儀。干涉儀利用一對(duì)光線來進(jìn)行極其精確的測(cè)量，這種光線由長(zhǎng)度小于10^-6米的微小能量波組成。光線能夠用于這樣的目的，是因?yàn)楫?dāng)兩根完全相同的光線通過不同的路徑走完同樣的距離后結(jié)合在一起時(shí)，它們的波完全匹配。但如果兩條光線走過路徑的長(zhǎng)度之差不足波長(zhǎng)的一小部分時(shí)，就會(huì)相互干涉。一臺(tái)精心設(shè)計(jì)的干涉儀能夠?qū)蓷l光線路徑的長(zhǎng)度與波長(zhǎng)的一小部分進(jìn)行比較。

1991年，美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)投資建設(shè)激光干涉儀引力波天文臺(tái)，1996年開始動(dòng)工興建。激光干涉儀引力波天文臺(tái)的主要儀器包含在兩根直徑約1.2米，長(zhǎng)4000米的管道中。這兩根管道相互呈直角，形成一個(gè)巨大的“L”。這種形狀利用了引力波的四極特性。每根管道必須抽成真空，以便減少分散光波，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

當(dāng)激光干涉儀引力波天文臺(tái)開始運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，激光會(huì)打在一個(gè)置于“L”交叉點(diǎn)的分光板上。這個(gè)分光板是一面特殊的反光鏡，設(shè)置成與激光束呈45°。鏡面讓1/2的光線穿過“L”的一條“腿”，而另1/2則被反射進(jìn)入另一條“腿”。在每條“腿”的端點(diǎn)上，是一面完全反射鏡，它們把光送回放置在分光板前面的特殊反射鏡上。這面反射鏡讓小部分光通過分光板打在它上面，而將余下的光送回完全反射鏡。這樣，每條“腿”里的光束在返回分光板之前會(huì)來回反復(fù)多次。光束走得越遠(yuǎn)，這個(gè)儀器測(cè)量的靈敏度就越高。因?yàn)閮蓷l光束路徑間的任何區(qū)別，在長(zhǎng)距離中會(huì)更加顯而易見。

在分光板上，來自兩條“腿”的光束在這里會(huì)合。因?yàn)楣膺M(jìn)入激光干涉儀引力波天文臺(tái)時(shí)被仔細(xì)調(diào)整，只要兩條光束都走過完全相同的距離，光波會(huì)在分光板外面相互抵消。但如果距離與光波波長(zhǎng)哪怕有一點(diǎn)不同，光束相互也會(huì)有一點(diǎn)不同步，使一些光能夠滲入光探測(cè)器。穿過激光干涉儀引力波天文臺(tái)的引力波，會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)改變兩條“腿”中反射鏡之間距離的效應(yīng)。這樣，任何溢出探測(cè)器的額外的光，都將表明這有可能就是引力波。

識(shí)別真實(shí)的信號(hào)

像激光干涉儀引力波天文臺(tái)一樣靈敏的儀器，有一個(gè)致命的敵人——震動(dòng)，微弱的地顫，汽車開過，或者高噪音機(jī)器，都可能刺激這臺(tái)儀器，使其發(fā)出錯(cuò)誤的信號(hào)。這就是兩個(gè)激光干涉儀引力波天文臺(tái)要選建在工業(yè)、交通或者地殼運(yùn)動(dòng)都很少的邊遠(yuǎn)地區(qū)的原因。盡管如此，激光干涉儀引力波天文臺(tái)還得防止哪怕是最小的運(yùn)動(dòng)，至關(guān)重要的部件都安裝在由多層彈簧支撐的平臺(tái)上，可減少大約100萬次震動(dòng)。即使有這些措施，科學(xué)家預(yù)計(jì)，激光干涉儀引力波天文臺(tái)還是會(huì)收到1分鐘1次的錯(cuò)誤信號(hào)。

為了鑒定出真實(shí)信號(hào)，兩個(gè)激光干涉儀引力波天文臺(tái)相距3030千米，引力波要花大約1%秒的時(shí)間走完這個(gè)距離。這樣，只有在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)在兩個(gè)天文臺(tái)的信號(hào)，才會(huì)被認(rèn)為是引力波可能的信號(hào)?？茖W(xué)家認(rèn)為，這兩個(gè)天文臺(tái)同時(shí)收到錯(cuò)誤信號(hào)的幾率為大約每10年1次。

盡管探測(cè)引力波的工作異常復(fù)雜，激光干涉儀引力波天文臺(tái)的科學(xué)家對(duì)尋找這類信號(hào)卻充滿了奇思妙想。由于兩個(gè)質(zhì)密天體彼此呈螺旋形相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此在兩個(gè)天體相撞之前，就會(huì)發(fā)出最強(qiáng)的引力波?？茖W(xué)家把他們預(yù)期在碰撞前就能看見的這種波型稱為“唧唧聲”?？茖W(xué)家已用計(jì)算機(jī)模擬這些波型，不過他們十分樂觀地認(rèn)為，這些“唧唧聲”不會(huì)是激光干涉儀引力波天文臺(tái)即將探測(cè)到的唯一的信號(hào)。在過去的50年里，雖然科學(xué)家已學(xué)會(huì)探測(cè)和研究不同形式的電磁輻射——無線電波、紅外線和紫外線，以及X射線和伽馬射線，但最有意義的發(fā)現(xiàn)，從來都是那些意想不到的東西。

要對(duì)天文學(xué)真正有用，激光干涉儀引力波天文臺(tái)就必須提供使研究者能夠弄清引力波究竟來自何處的數(shù)據(jù)。而兩處天文臺(tái)測(cè)得的信號(hào)之間的時(shí)間間隔，將提供引力波方向的線索。如果兩處天文臺(tái)的行程同步，那就意味著引力波在沿與連接這兩臺(tái)探測(cè)器的連線垂直的方向移動(dòng)；如果兩個(gè)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間間隔1%秒，引力波就是在沿平行于那條連線的方向移動(dòng)。而如果引力波在第三地被探測(cè)到，科學(xué)家就可以利用一種被稱為三角測(cè)量的數(shù)學(xué)技術(shù)，來確定引力波究竟源自天空中的什么地方。這樣，幾臺(tái)探測(cè)器將形成一個(gè)全球網(wǎng)絡(luò)來運(yùn)行。

許多科學(xué)家都盼望開始搜尋引力波，但并不想僅僅研究巨大天體的碰撞。人們相信，自宇宙大爆炸后的一瞬間開始，引力就一直扮演著重要的角色。許多天文學(xué)家認(rèn)為，正是這次劇烈的膨脹誕生了宇宙，而激光干涉儀引力波天文臺(tái)可能透露出它與之邂逅的蛛絲馬跡。自2001年以來，天文學(xué)家利用所有能夠利用的儀器，依賴可觀測(cè)宇宙中天體發(fā)射的電磁輻射來研究這個(gè)問題。因?yàn)橐Σú⒉皇请姶泡椛涞囊环N形式，所以天文學(xué)家無從研究混沌初開時(shí)可能就有的、大碰撞產(chǎn)生的引力波。許多科學(xué)家認(rèn)為，像激光干涉儀引力波天文臺(tái)這樣的觀測(cè)設(shè)備，有可能探測(cè)到自大爆炸后的瞬間就開始存在的引力波，這為天文學(xué)家研究宇宙的發(fā)展提供了一個(gè)重要的新工具。

引力波成為天文學(xué)家用來了解更多宇宙知識(shí)的又一個(gè)工具。像激光干涉儀引力波天文臺(tái)及其更強(qiáng)大的繼任者一樣儀器，可能開啟了宇宙的一扇新的窗戶，有助于解開宇宙中一些最深層次的秘密。