引力波：從理想到現(xiàn)實

苗千

理想與現(xiàn)實的距離究竟有多遠？人類從奠定引力波理論的基礎(chǔ)，到認識引力波的存在，到開始探測，直至最終發(fā)現(xiàn)的故事告訴我們，這其間相隔了100年的時間。

距離1915年發(fā)表廣義相對論20多年之后，直到20世紀30年代，愛因斯坦才開始相信可以由廣義相對論推導出一個令他自己都感到吃驚的結(jié)論：宇宙本身在顫抖，這種顫抖具有能量，并且以波的形式在時空中傳播。盡管如此，在當時探索引力波，乃至研究宇宙的結(jié)構(gòu)和起源，都還不算是一個嚴肅的物理學話題，這種理論如同屠龍之技，只能停留在理論中——想要真正探測到引力波存在的直接證據(jù)，人類還需要再經(jīng)歷80年時間在物理理論和工程學領(lǐng)域不斷進步。

從2016年2月11日開始，整個世界都忽然開始討論起引力波——引力波時代開始了，而這一切，源于一個代號為“GW150914”的來自激光干涉引力波天文臺（LIGO）的探測信號。2015年9月14日德國時間上午11點，馬克思·普朗克研究所33歲的物理學博士后馬爾科·德拉戈（Marco Drago）正在位于德國漢諾威的辦公室里，他收到了一封來自系統(tǒng)自動提示郵件，篩選數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了一個可疑的信號，發(fā)來兩張圖片：在噪音背景中，每張圖片都顯示出一個時間長度不到1秒鐘，類似于鳥鳴的波形。德拉戈隨即發(fā)現(xiàn)這是一個非常值得注意的事件，信號噪聲比相當高，而且專業(yè)訓練讓他辨認出，這個信號的形狀顯示這是兩個黑洞合并成為一個更大的黑洞的過程。

首先注意到這個信號的德拉戈并未欣喜若狂，因為信號的波形太過理想化，他當時并不相信這是一個真實的探測結(jié)果。LIGO的物理學家們?yōu)榱藱z驗儀器的靈敏度，會人為地“注入”一些信號，而何時注入信號、注入何種信號，只有LIGO有限的幾個人知道，并且只會在注入信號被探測到，通過檢驗，準備發(fā)表之際才公布于眾。但德拉戈隨即意識到，LIGO經(jīng)過了花費2億美元的升級之后剛剛啟動引力波探測，注入信號的系統(tǒng)還沒有開始工作，因此這極有可能是一個真實的探測信號。

意識到可能真正有所發(fā)現(xiàn)之后，德拉戈給LIGO在美國分別位于利文斯頓和漢福德的同事們打電話，詢問他們是否同樣注意到了可疑的信號，當時還在深夜的美國同事們回答說“沒有”。而后越來越多的人開始意識到這個探測信號的意義，整個LIGO項目組花了一天時間才確定這不是一個注入信號。LIGO的發(fā)言人加布里埃拉·岡薩雷斯（Gabriela González）決定暫停LIGO升級計劃，繼續(xù)探測一個月收集引力波的噪聲數(shù)據(jù)，然后再全面分析數(shù)據(jù)。經(jīng)過仔細分析，他們發(fā)現(xiàn)這個波形由噪聲產(chǎn)生的概率低至每20.3萬年至多一次，可信度極高。

隨后是利用超級計算機進行模擬，科學家們發(fā)現(xiàn)波形與廣義相對論的預測完全符合。這兩個黑洞可能已經(jīng)互相圍繞旋轉(zhuǎn)了幾百萬年，直到它們彼此每秒鐘互相旋轉(zhuǎn)35圈以上時，LIGO才開始接收到引力波信號，旋轉(zhuǎn)的頻率迅速提高到每秒250圈，之后兩個黑洞迅速合并為一個更大的黑洞。終于得到了確認，LIGO決定召開新聞發(fā)布會，向全世界公布這個重大發(fā)現(xiàn)。

在現(xiàn)場參加LIGO新聞發(fā)布會的觀眾中，一位名為維吉尼婭·特林布爾（Virginia Trimble）的天文學家可能會有非常特殊的感受。她的丈夫，已經(jīng)在2000年去世的前馬里蘭大學物理學家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）正是最早進行引力波探測實驗的物理學家。韋伯歷時幾十年，矢志不渝探索引力波直至去世，這在在物理學界早已成為一個飽受爭議的故事，但是當人們終于以無可爭議的證據(jù)發(fā)現(xiàn)引力波時，仍然沒有忘記這位引力波探索領(lǐng)域的先驅(qū)。

韋伯在20世紀50年代就開始了利用實驗尋找引力波信號的歷程。他試著利用懸掛在鋼絲上的高2米、直徑1米的圓柱體鋁棒來探測引力波的痕跡。韋伯堅信，當引力波經(jīng)過時，有可能使探測鋁棒發(fā)生百萬分之一納米的形變，令鋁棒發(fā)出1660赫茲的輕微振動，而這種振動可能被轉(zhuǎn)換為電信號從而被探測到——盡管外界環(huán)境的些微改變都可能造成鋁棒的這種性變，但韋伯認為，如果多個鋁棒探測器同時發(fā)出這種振動，就只能是引力波引起，從而證明實驗成功。1969年他在《物理評論》（Physical Review）雜志發(fā)表論文，聲稱自己探測到了引力波信號，在1970年，他聲稱自己探測到了311次引力波信號，信號的來源指向銀河系的中心。但令人遺憾的是，沒有任何其他科學家可以重復韋伯的實驗結(jié)果（他們在更加精密的實驗環(huán)境下進行探測，又把實驗溫度降到極低，減少熱噪聲產(chǎn)生的干擾），于是韋伯關(guān)于發(fā)現(xiàn)引力波的聲明始終沒有得到科學界承認。

韋伯始終沒有放棄通過鋁棒探測引力波的實驗，直到20世紀80年代，越來越多的科學家不再相信韋伯的探測方法，美國麻省理工學院年輕的物理學家雷納·韋斯（Rainer Weiss）在準備講授廣義相對論課程的時候，忽然想到了探測引力波的另一個途徑——利用邁克爾遜干涉儀（Michelson interferometer）進行探測，隨后加州理工學院的物理學家基普·索恩（Kip Thorne）被韋斯說服加入到引力波探測計劃，之后，他們決定利用激光干涉尋找引力波，幾十年之后，他們終于取得了成功。

在科學研究的過程中，科學家們有傳承，有競爭，也有相互激勵和啟發(fā)。成功者固然名利雙收，獲得鮮花和掌聲以及耀眼的光環(huán)，但走在一條注定會失敗的路上，或許也是對于科學的另一種貢獻，韋伯和韋斯、索恩等人，先行者和后來者，在引力波探測的歷史中，都有著屬于各自的獨特角色。

（本文寫作參考了《科學》雜志的報道）