尋找引力波：鮮為人知的幕后故事

喬若靜/編譯

尋找引力波：鮮為人知的幕后故事

喬若靜/編譯

100年前愛因斯坦曾預(yù)測時(shí)空漣漪的存在

十幾億年前，數(shù)以百萬計(jì)星系之外的一對黑洞發(fā)生了碰撞，在漫長的歲月里，它們彼此環(huán)繞盤旋了億萬年，在每一次旋轉(zhuǎn)中越轉(zhuǎn)越快，不斷地拉近它們之間的距離，直到相相隔幾百英里速度接近光速時(shí)，釋放出令整個(gè)宇宙顫栗的巨大的引力波能量。在這一瞬間，時(shí)空變得扭曲起來，就像一鍋沸騰的水，兩個(gè)黑洞也在這瞬間合并為一，發(fā)射出比宇宙所有恒星的能量加起來還強(qiáng)一百倍以上的巨大能量。最終形成了一個(gè)新的黑洞，新黑洞的質(zhì)量是我們?nèi)缃裉柕?2倍，大小相當(dāng)于美國緬因州的面積。這個(gè)新黑洞漸漸伸展成一個(gè)稍顯扁平的球體形狀，最后幾下震顫產(chǎn)生的能量逃離出去，然后時(shí)空再次歸于沉寂。

引力波漣漪如波浪般從各個(gè)方向向外傳播，在前進(jìn)的路上漸漸變?nèi)?。在地球上，恐龍出現(xiàn)，進(jìn)化，并最終滅絕。引力波繼續(xù)前進(jìn)。在大約五萬年前，就在智人開始取代其近親尼安德特人，成為地球上的優(yōu)勢物種的時(shí)候，引力波開始進(jìn)入我們的銀河系。

觀測到引力波：愛因斯坦預(yù)言成真

一百年前，阿爾伯特·愛因斯坦，人類這個(gè)優(yōu)勢物種中的天才成員之一，預(yù)言了引力波的存在，激勵(lì)了科學(xué)家們在幾十年時(shí)間里在宇宙太空中徒勞無果的搜尋。22年前，地球上建立了一個(gè)巨大的引力波探測器：激光干涉引力波探測器（LIGO）。2015年9月14日，歐洲中部時(shí)間上午將近11點(diǎn)時(shí)，引力波到達(dá)地球。33歲的意大利博士后、LIGO科研合作組織的成員之一馬可·德拉戈（Marco Drago）成為最早發(fā)現(xiàn)引力波的人。當(dāng)時(shí)他正在德國馬克斯·普郎克引力物理學(xué)研究所的電腦前，遠(yuǎn)程觀察LIGO數(shù)據(jù)。引力波出現(xiàn)在他的屏幕上，就像被壓縮了的曲線，可傾聽一英寸的千億分之一振動的LIGO裝置，聽到了從低到高然后很快消失的輕微聲音——來自遙遠(yuǎn)宇宙黑洞的聲音。2016年2月11日，在華盛頓特區(qū)的一次新聞發(fā)布會上，LIGO團(tuán)隊(duì)宣布地球上首次觀測到引力波信號。

當(dāng)?shù)吕昕吹狡聊簧系囊Σㄐ盘枙r(shí)驚呆了，一時(shí)之間有些不知所措。他的一位同事給LIGO設(shè)備控制室打了電話，消息很快在參與該項(xiàng)目的幾千科學(xué)家中間傳了開來。在加州，LIGO實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任戴維·賴茨（David Reitze）送女兒上學(xué)后，立即趕往他在加州理工學(xué)院的辦公室，在那里又接到了接二連三的消息。“我不記得當(dāng)時(shí)我說了些什么?！彼貞浀?，“當(dāng)時(shí)的想法是‘天啊，這是什么？’”西北大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)教授維琪·卡洛格拉（VickyKalogera）開了一整天的會，直到晚餐時(shí)才聽到這個(gè)消息。“丈夫叫我鋪餐桌布準(zhǔn)備吃飯?！彼f?！拔揖拖裢耆珱]聽到似的，全神貫注地瀏覽著一大堆不同尋常的電子郵件，想知道這到底是怎么回事?！?972年首次提出構(gòu)建LIGO的83歲的物理學(xué)家雷納·韋斯（Rainer Weiss）當(dāng)時(shí)正在美國緬因州度假。登錄系統(tǒng)看到信號后，不由大聲喊道：“我的上帝！”聲音驚動了他的妻子和成年的兒子紛紛向他跑過來。

項(xiàng)目研究人員開始了繁重的驗(yàn)證工作，兩遍、三遍甚至四遍核查確認(rèn)數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)告訴我們10多億年前兩個(gè)黑洞合并的故事?！斑@是一個(gè)非比尋常的消息宣布，需要非比尋常的證據(jù)?！崩滋仄澱f道。與此同時(shí)，LIGO的科學(xué)家們被要求宣誓對這個(gè)消息保密。但從9月底下旬開始，各種流言飛傳，并成為媒體競相報(bào)道的熱門話題，甚至有了與諾獎(jiǎng)相關(guān)的傳言。但LIGO項(xiàng)目合作者對于種種詢問只給予了簡略的回應(yīng)，稱相關(guān)數(shù)據(jù)仍在分析之中，卡洛吉拉甚至對她的丈夫都沒說。

LIGO觀測站由兩個(gè)設(shè)施構(gòu)成，相距近1 900英里，相當(dāng)于噴氣客氣飛行三個(gè)半小時(shí)的距離，但這段距離引力波只需要1秒鐘的萬分之一時(shí)間就能抵達(dá)。路易斯安那州利文斯頓的探測器位于巴吞魯日東部的濕地，周圍是一片商業(yè)松樹林；另一個(gè)探測器設(shè)在華盛頓漢福德（美國核污染最嚴(yán)重的西南邊緣地區(qū)），被安置在長滿艾草、風(fēng)滾草和一些廢棄的核反應(yīng)堆的中間。每一處設(shè)施都有一對12英尺高呈直角的混凝土管道，一直向遠(yuǎn)方延伸開去，從上方看去很像木工用的直角尺。管道長達(dá)2.5英里，由于地球曲率的緣故，管道兩端都必須高出地面1碼，以保持水平。

LIGO科學(xué)合作項(xiàng)目是探索愛因斯坦廣義相對論更深涵義的組成部分。廣義相對論理論，簡單地說，是指質(zhì)量導(dǎo)致的空間與時(shí)間的彎曲，而時(shí)空彎曲產(chǎn)生的效應(yīng)就是我們所稱的引力。當(dāng)兩個(gè)黑洞互相環(huán)繞旋轉(zhuǎn)時(shí)，不斷地拉伸和擠壓周圍的時(shí)空，就像孩子在蹦床上繞著圈兒奔跑產(chǎn)生的向床邊擴(kuò)散的振動一樣，這些振動就是引力波。引力波從波源出發(fā)，穿越整個(gè)宇宙時(shí)空，但由于引力波遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于其他基本的自然力，例如，電磁力，或?qū)⒁粋€(gè)原子結(jié)合在一起的相互作用力等，因此我們感知不到引力波的存在。愛因斯坦認(rèn)為很可能它們永遠(yuǎn)不會被檢測到，他甚至兩次宣布引力波不存在，推翻了自己之前的預(yù)測。還有人指出，引力波似乎是以“思想的速度在傳播?！?/p>

韋伯和最早的引力波探測器“韋伯棒”

在愛因斯坦提出引力波預(yù)言近五十年后，有人開始著手構(gòu)建某種儀器來探測引力波。第一個(gè)做出這種嘗試的是馬里蘭大學(xué)的工程學(xué)教授約瑟夫·韋伯（Joseph Weber），他將這種檢測設(shè)備叫做“諧振棒狀天線”。韋伯認(rèn)為，鋁質(zhì)圓柱體可起到像鐘鈴一樣的作用，可將撞擊其上的微弱引力波信號放大。當(dāng)引力波撞到圓柱體時(shí)，會產(chǎn)生非常輕微的振動，環(huán)繞四周的傳感器將撞擊產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)化為電信號。為了確保他檢測到的不是附近經(jīng)過的卡車或輕微地震產(chǎn)生的振動，韋伯采取了多種預(yù)防措施：他將檢測棒懸在真空中，一次安排兩個(gè)檢測棒放在不同的地點(diǎn)，一個(gè)在馬里蘭大學(xué)的校園里，另一個(gè)在芝加哥附近阿貢國家實(shí)驗(yàn)室里。如果兩個(gè)檢測棒在幾分之一秒內(nèi)的間隔時(shí)間產(chǎn)生同樣模式的振動，那么就可以認(rèn)為，很可能是引力波造成的。

1969年6月，韋伯宣布他的棒式探測器已有所收獲，物理學(xué)家和媒體大為興奮，當(dāng)時(shí)的《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道稱：“人類對宇宙的觀察揭開了新的篇章?！辈痪茫f伯開始每日報(bào)告稱發(fā)現(xiàn)信號，但由于也建造了像他一樣的檢測棒的其他實(shí)驗(yàn)室并未有類似發(fā)現(xiàn)，于是人們開始對他的結(jié)論產(chǎn)生了懷疑。到了1974年的時(shí)候，許多人得出結(jié)論認(rèn)為，韋伯一定是搞錯(cuò)了。但他繼續(xù)聲稱他有新的檢測結(jié)果，直到他于2000年去世時(shí)為止。

韋伯創(chuàng)立了一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域，這是他為人類留下的遺產(chǎn)。但正如維斯所說的，韋伯的探索經(jīng)歷也給人們留下了一個(gè)不好的印象，其原因是似乎引力波的探尋者“都是一些騙子，沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯竦戎惖??！?014年，用BICEP2望遠(yuǎn)鏡觀察的研究人員稱在南極附近發(fā)現(xiàn)了似乎是宇宙大爆炸留下的引力輻射，雖然信號是真的，但最后證實(shí)它只是宇宙塵埃的產(chǎn)物，這更是進(jìn)一步強(qiáng)化了這種觀點(diǎn)。韋伯之后還有一批受到他啟發(fā)的研究人員。例如，維斯開始了一個(gè)最終將成為LIGO的設(shè)計(jì)：“對于韋伯的追求我無法理解，我不認(rèn)為他的想法是對的。所以我決定要走我自己的路?！?/p>

維斯的設(shè)想與LIGO探測器雛形

“尋找引力波的很多工作都是通過電話聯(lián)系完成的?！盠IGO在漢福德觀測站的負(fù)責(zé)人弗雷德·拉布（Fred Raab）說道。他們在每周例會上討論數(shù)據(jù)，在兩周一次的會議討論兩個(gè)探測器之間的協(xié)調(diào)工作，參與者有澳大利亞、印度、德國、英國和其他地方的合作者?！斑@些研究者午夜夢醒時(shí)，腦海中還縈繞關(guān)于探測器的夢境，可見他們投入之深?！崩颊f道。正是這種精神促使維斯構(gòu)思出如此復(fù)雜而切實(shí)可行的儀器設(shè)備。

維斯的檢測方法與韋伯有著很大的不同。他的最初設(shè)想是將探測器做成“L”形。想象一下兩人臥在地板上，兩個(gè)腦袋緊挨著，身體呈直角，當(dāng)引力波經(jīng)過他們時(shí)，一個(gè)人會被拉長一點(diǎn)，另一個(gè)人會被縮短一些，然后片刻過后，相反的事情會發(fā)生在這兩個(gè)人的身上。他的設(shè)計(jì)所依據(jù)的原理是，當(dāng)引力波向一個(gè)的時(shí)空延伸擴(kuò)展時(shí)，會在另一個(gè)方向壓縮時(shí)空。維斯的儀器要測量的就是這兩次波動產(chǎn)生的長度差異，當(dāng)然實(shí)際上的探測器會更龐大，用的是幾英里長的鋼管。

為獲得精確的測量結(jié)果，維斯建議以光為標(biāo)尺。他想象在“L”形設(shè)計(jì)的彎曲處放置激光源。激光源“向每根管道發(fā)送一道激光束，激光束到達(dá)另一端的鏡面上會被反射回來，在真空中光速是恒定的，因此在管道中清除了空氣和其他的粒子后，激光束將會在“L”形結(jié)構(gòu)的彎曲處同步重組，除非有引力波通過，在這種情況下，激光源和反射鏡之間的距離會略有變化，因?yàn)榇藭r(shí)其中一個(gè)管道中的激光束通過的距離會比另一道激光束稍短一些，它們返回的時(shí)間將不再同步。引力波越強(qiáng)，差距越是明顯。這樣的檢測設(shè)備需要達(dá)到的精度是之前任何檢測設(shè)備的數(shù)千倍，同時(shí)，為了將迅速變?nèi)跸У囊Σㄐ盘枏牡厍蛏蠠o處不在的喧囂聲中提取出來，還需要更精微的調(diào)試來提取一個(gè)迅速變?nèi)醯奈⑷跣盘枴?/p>

維斯于1972年春寫下了他的設(shè)想，作為他的實(shí)驗(yàn)室季度進(jìn)展報(bào)告的一部分。但這篇論文從未在任何科學(xué)期刊上發(fā)表，這只是他當(dāng)時(shí)的一個(gè)想法，而不是一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。但因在電影“星際穿越”拍攝中擔(dān)任科學(xué)顧問而聞名的加州理工學(xué)院名譽(yù)教授基普·索恩（Kip Thorne）認(rèn)為：這是有史以來最偉大的論文之一。事實(shí)上，索恩與查爾斯·米斯納（Charles Misner）和約翰·惠勒（John Wheeler）合著并于1973年首次出版的關(guān)于引力波理論的里程碑式的教科書中，就包括有一名學(xué)生演示激光測量引力波的內(nèi)容。

1975年，維斯邀請索恩與NASA的科學(xué)家對話。會面前夜，在華盛頓特區(qū)酒店的一個(gè)房間里，他們坐在一張小桌旁寫寫畫畫，桌上是畫著草圖寫著方程式的一張又一張的草稿紙?！笆澜缟峡梢韵裎覀冞@樣交流這個(gè)話題的人并沒有多少，而我們在這個(gè)問題上已經(jīng)研究了很多年?！本S斯回憶道。當(dāng)索恩回到自己房間里的時(shí)候，天邊已泛出粉紅色，天快亮了。

LIGO項(xiàng)目與基金會義無反顧的支持

在麻省理工學(xué)院，維斯開始組裝一個(gè)尺寸只有5英尺高的作為檢測臂的小型探測器，但得不到他所在部門管理人員的支持，他的很多同事也都持懷疑態(tài)度。其中一位很有影響力的天體物理學(xué)家兼相對論專家菲利普·莫里森（Phillip Morrison）堅(jiān)持認(rèn)為黑洞并不存在，因?yàn)橹С趾诙创嬖诘挠^測數(shù)據(jù)實(shí)在太少了，這也是當(dāng)時(shí)許多同時(shí)代科學(xué)家所持有的觀點(diǎn)。另外，黑洞是理論上可以發(fā)射出相當(dāng)規(guī)模引力波的少數(shù)宇宙現(xiàn)象之一，但維斯的設(shè)備什么也沒有找到。索恩則取得了一些成功，1981年時(shí)，已有一個(gè)檢測臂長131英尺的原型機(jī)在加州理工學(xué)院運(yùn)行。一位名叫羅納德·德雷弗（Ronald Drever）的蘇格蘭裔物理學(xué)家負(fù)責(zé)這設(shè)備的制造，并在建造的過程中，在維斯設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)。

1990年，經(jīng)過多年的研究、報(bào)告、演講和委員會會議，維斯、索恩和德雷弗，說服了美國國家科學(xué)基金會（NSF）資助LIGO的建設(shè)。這個(gè)項(xiàng)目要花費(fèi)2.72億美元，這是NSF科研資助項(xiàng)目中空前絕后的。“一開始就引起了很大的爭議。”維斯說。

“天文學(xué)家們毫不猶豫地反對這個(gè)計(jì)劃，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為這將是有史以來最大的錢財(cái)浪費(fèi)?！痹S多科學(xué)家擔(dān)心LIGO項(xiàng)目會擠掉其他研究項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)。當(dāng)時(shí)美國國家科學(xué)基金會的一位項(xiàng)目管理官員里奇·艾薩克森（Rich Isaacson）在LIGO項(xiàng)目的啟動上起了關(guān)鍵性的作用?！八兔绹鴩铱茖W(xué)基金會都堅(jiān)定地支持我們，和我們共同承擔(dān)這巨大的風(fēng)險(xiǎn)?！本S斯說道。

“這東西本來也許不該建的?！卑_克森說道，“幾個(gè)人瘋了樣地到處游說，在什么信號也沒發(fā)現(xiàn)的情況下，就討論起遠(yuǎn)超出當(dāng)前技術(shù)水平的真空技術(shù)、激光技術(shù)、防震技術(shù)、反饋系統(tǒng)以及一些還都沒有被發(fā)明出來的材料。”但是，艾薩克森的博士論文寫的就是引力輻射，他相信建立LIGO的理論基礎(chǔ)?！拔沂且Σㄑ芯咳后w在NSF內(nèi)部的‘鼴鼠’。”他開玩笑地自嘲道。

在他們的項(xiàng)目申請計(jì)劃書中，LIGO小組提醒道，他們的最初設(shè)計(jì)的探測器可能什么都探測不到。但他們認(rèn)為，一個(gè)不完美探測器的建立是為了學(xué)習(xí)如何建造一個(gè)更好的?！翱梢杂欣碛上胂蟮玫?，這是一個(gè)會失敗的計(jì)劃。”艾薩克森說道，但他說服了美國國家科學(xué)基金會，即使在初期檢測不到什么信號，但測量精度會有所提高，所以投資是值得的。1994年初，LIGO計(jì)劃正式開始破土動工。

第一代LIGO的不斷改進(jìn)與完善

經(jīng)過兩年時(shí)間，他們制造出了歷史上最敏感的設(shè)備，但除了引力波之外，對其他任何東西都不敏感。光是抽空管道內(nèi)的空氣就花了40天時(shí)間，形成了地球上最純粹的真空環(huán)境，只有海平面大氣濃度的萬億分之一。但還是存在一些出乎意料的干涉源，如漢福德的風(fēng)聲，利文斯頓臨海的海風(fēng)，電網(wǎng)波動對激光束的影響，鏡面中個(gè)別原子的不穩(wěn)定和遠(yuǎn)處的雷電風(fēng)暴等。所有這些都有可能會被誤認(rèn)為是引力波，每一種干涉源都需要加以消除或控制。LIGO中有一個(gè)可對微弱地震做出應(yīng)對的子系統(tǒng)，通過啟動減震功能，用相反的作用力抵消震動，保持反射鏡的穩(wěn)定。另外還有一個(gè)子系統(tǒng)用來監(jiān)測其他干擾聲，包括經(jīng)過的汽車、飛機(jī)和狼嚎等。

“需要考慮的細(xì)節(jié)成千上萬，實(shí)實(shí)在在的上萬個(gè)?！本S斯說道?！懊恳粋€(gè)細(xì)節(jié)都需要加以完善，確保不會有任何東西對信號形成干擾?！痹谡{(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部組件時(shí)，必須要有便攜式潔凈室、消毒工具以及被他們稱為“兔子裝”的全身防護(hù)工作服，以防止皮膚細(xì)胞或粉塵粒子偶爾落到光學(xué)器件上。

第一代觀測設(shè)備，即研究團(tuán)隊(duì)如今所稱的“初級LIGO”（Initial LIGO），于2001年啟動并運(yùn)行。在接下來的九年里，科學(xué)家們不斷改進(jìn)和提高儀器的性能和數(shù)據(jù)分析算法。同時(shí)，通過加州理工學(xué)院的一個(gè)原型機(jī)和德國的一家工廠，開發(fā)出更加敏感的反光鏡、激光束和隔震技術(shù)。2010年，探測器停止使用，開始了為期5年，價(jià)值2億美元的升級工作。如今系統(tǒng)的防干擾能力極強(qiáng)，漢福德觀測站的一位部門經(jīng)理在控制室邊上發(fā)動摩托車時(shí)，監(jiān)控引力波信號的科學(xué)家在屏幕上什么也沒有發(fā)現(xiàn)，這一場景在測試日志中留下了生動的描述：“布巴騎在摩托車上呼嘯而去。”第二代先進(jìn)LIGO系統(tǒng)對宇宙空間的觀測區(qū)域的范圍將提高到之前的一千倍以上。

最花功夫的是反射鏡，據(jù)雷特茲介紹，它們是世界上最好的反射鏡。每面反射鏡都有1尺多寬，重近90磅，拋光精度達(dá)一英寸的一億分之一的完美球體，每面造價(jià)近100萬美元。一開始反射鏡是懸吊在一圈鋼絲繩上的，升級后被連接在一個(gè)鐘擺系統(tǒng)上，可更好地排除輕微地震的干擾，然后懸掛在熔融石英玻璃纖維下，雖然強(qiáng)度足以承受反射鏡的重量，但缺點(diǎn)是一碰就響。格拉斯哥大學(xué)的吉姆·霍夫（Jim Hough）說道：“當(dāng)你輕彈威士忌玻璃杯，它會發(fā)出清脆好聽的聲音，熔融石英的材質(zhì)甚至比威士忌玻璃杯更好，發(fā)出的聲音就像拔動小提琴的琴弦一樣?！比绱溯p柔的干擾聲音，用LIGO的信號處理軟件可以完全清除掉，因而又解決一個(gè)潛在的干擾源。

引力波信號的抵達(dá)與確認(rèn)過程

先進(jìn)LIGO的升級時(shí)間比預(yù)期的要長，因此改進(jìn)后新儀器的正式運(yùn)行日期比預(yù)定的還要推遲幾天，一直要延遲到2015年9月18日。一周前維斯被從波士頓叫來確定一些射頻干擾源。他建議通過為期一周的維修計(jì)劃來解決這個(gè)問題，但是項(xiàng)目董事拒絕了他的建議?！案兄x上帝，幸虧他們沒讓我這么做?！本S斯說道，“否則信號進(jìn)來時(shí)設(shè)備處于離線狀態(tài)，那就糟了?！?/p>

9月13日星期日，漢德弗的運(yùn)行管理專家安娜瑪麗亞·艾弗勒（Anamaria Effler）一整天都和同事在利文斯頓的探測器這里，完成電池組的最后測試?！拔覀兇舐暫敖校覀儞u晃東西發(fā)出震動聲，我們導(dǎo)入磁鐵干擾，反正所有各種測試都做了?！彼f。到凌晨4點(diǎn)鐘的時(shí)候，只剩下最后一個(gè)測試，模擬附近卡車司機(jī)踩剎車的聲音，然后收拾東西開車回家，留下設(shè)備在那里靜靜地收集數(shù)據(jù)。在他們離開后不久，當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨4:50，引力波信號抵達(dá)，以7毫秒的時(shí)間差通過了LIGO的兩個(gè)探測器，離升級后的LIGO的首次正式運(yùn)行還有四天時(shí)間。

這么早就發(fā)現(xiàn)了引力波的事實(shí)引發(fā)了混亂和難以置信的疑問。“我曾對所有人說過，在2017年或2018年之前我們不會看到任何東西?！崩滋仄澱f道。LIGO科學(xué)合作組織成員、哥倫比亞大學(xué)天體物理學(xué)教授珍娜·萊文（Janna Levin）也同樣感到吃驚?！奥牭絺餮詴r(shí)，我的反應(yīng)是：別開玩笑了！”她說。信號幾乎太完美了。維斯和他的同事也都認(rèn)為，這信號是人為的測試信號。

LIGO團(tuán)隊(duì)中有一小群人，他們的工作就是制造“盲輸入”信號——虛假的引力波證據(jù)——作為讓科學(xué)家們時(shí)刻保持警覺的一種方式。盡管每個(gè)人都知道這個(gè)四人團(tuán)隊(duì)是哪幾個(gè)人，“但我們卻不知道會是什么樣的信號，何時(shí)會注入，以及是否會被注入?！盠IGO科學(xué)合作組織的發(fā)言人加布里娜·岡薩雷斯（Gabriela González）說道。在初級LIGO最后運(yùn)行的2010年，探測器曾接收到一個(gè)強(qiáng)烈的信號，科學(xué)家們對它進(jìn)行了長達(dá)6個(gè)月的緊張分析后，認(rèn)為它是來自大犬座星系的引力波信號。然而，就在他們準(zhǔn)備將研究論文提交相關(guān)期刊發(fā)表之前，卻得知這個(gè)信號其實(shí)是輸入的虛假信號。

而這一次，“盲輸入”組成員信誓旦旦地稱這信號和他們沒有任何關(guān)系。馬可·德拉戈認(rèn)為，他們的否認(rèn)可能也是測試的一部分，但作為四人組成員之一的雷特茲卻有另外的擔(dān)憂。“我擔(dān)心的是，人們可以認(rèn)為我們只是出于謹(jǐn)慎而否認(rèn)，但這是否是有人在惡作劇呢？”他說?！皶粫腥嗽谖覀兊奶綔y器里偽造了一個(gè)信號，而我們都被蒙在鼓里呢？”雷特茲說道。雷特茲、維斯和岡薩雷斯等人認(rèn)為，如果真是有人搞的惡作劇，那么此人一定對設(shè)備和算法十分熟悉，才有可能欺騙系統(tǒng)并掩蓋他或她的作案痕跡。有可能做到這一點(diǎn)的嫌疑人只有4個(gè)，但他們都沒有合情合理的作案動機(jī)?！拔覀儽P問了那幾個(gè)人?！本S斯說道?！暗麄兌际缚诜裾J(rèn)絕對沒有做過?！弊罱K他說，“我們承認(rèn)，最簡單有效的解釋就是：這真的是來自一對黑洞的引力波?！?/p>

LIGO科學(xué)合作組織內(nèi)各部門開始對方方面面進(jìn)行確認(rèn)，他們回顧了儀器的校準(zhǔn)過程，對軟件代碼進(jìn)行逐行分析，列出所有可能的環(huán)境干擾，從大氣電離層振蕩到環(huán)太平洋地震?！耙Σㄐ盘柍霈F(xiàn)的大約同一時(shí)刻，一道非常強(qiáng)烈的閃電襲擊了非洲?！盠IGO首席科學(xué)家斯坦·惠特科姆（Stan Whitcomb）說道，“但我們磁力計(jì)表明，它未能產(chǎn)生足夠的擾動引起這個(gè)事件?！弊罱K，他們確認(rèn)這個(gè)探測結(jié)果達(dá)到了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的5西格瑪閾值，宣布物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，而這個(gè)引力波信號被發(fā)現(xiàn)的概率只有350萬分之一。

技術(shù)人員正在檢查LIGO的光學(xué)器件

引力波發(fā)現(xiàn)的意義與未來前景

9月14日檢測到的引力波如今正式命名為GW150914，引力波信號的發(fā)現(xiàn)已產(chǎn)生了一些重要的天體物理研究成果。首先，它代表了對黑洞存在的首次觀測證據(jù)，在此之前，黑洞只存在于物理學(xué)理論中。根據(jù)黑洞的定義，它們會吞噬掉所有在它們附近的光線，導(dǎo)致傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡根據(jù)發(fā)現(xiàn)不了它們，而引力波是已知唯一能夠逃離黑洞重力擠壓并泄露黑洞信息的來源。

LIGO的科學(xué)家們從這一引力波信號中提取了數(shù)量驚人的信息，包括產(chǎn)生這道引力波的黑洞的質(zhì)量，軌道的運(yùn)行速度等。這兩個(gè)黑洞的質(zhì)量比預(yù)期的要大得多，這個(gè)令人驚訝的結(jié)果如果在未來的觀察中被證實(shí)，可有助于解釋許多星系中心神秘超大質(zhì)量黑洞的形成之謎。研究團(tuán)隊(duì)還對被稱為“衰蕩”（ringdown）的現(xiàn)象進(jìn)行了量化分析，“衰蕩”是指新的更大的黑洞在成為球形過程中的三次能量大爆發(fā)?！斑@種‘衰蕩’現(xiàn)象是很壯觀的?！比R文說道。它為確認(rèn)相對論關(guān)于黑洞的一個(gè)最重要的預(yù)測提供了證據(jù)：即黑洞在合并后會將其不完美的部分以引力波的形式輻射出去。

引力波的發(fā)現(xiàn)還證實(shí)了愛因斯坦對物理宇宙另一方面的觀點(diǎn)是正確的?！澳阒挥性谂罉翘莸臅r(shí)候才會感覺地球引力的存在。”維斯說道，“但是在物理學(xué)上，引力非常微弱，影響很小?！钡诤诙锤浇κ怯钪嬷凶顝?qiáng)大的力量，擁有足以撕裂原子的能力。愛因斯坦曾在1916年做出預(yù)測，LIGO的分析表明愛因斯坦的方程式與真實(shí)世界的實(shí)際觀測結(jié)果幾乎完美一致。那么“他究竟是怎么知道的呢？”維斯覺得困惑，“如果有可能，我真想將那個(gè)早晨看到的數(shù)據(jù)拿給他看，然后看看他臉上會是怎樣的表情。”

自9月14日檢測到引力波信號以來，LIGO繼續(xù)觀察候選的引力波信號，雖然這些信號沒有一開始的信號那么強(qiáng)。“強(qiáng)大的信號讓我們激動興奮?！本S斯說道，“但看到其他一些強(qiáng)度較弱的信號我們也很高興，這表明一開始觀測到的引力波并不是唯一的偶然事件?！?/p>

科學(xué)家所了解的宇宙知識幾乎都是通過電磁光譜獲得的。四百年前，伽利略就開始用他的望遠(yuǎn)鏡探索可見光領(lǐng)域。自那時(shí)以來，天文學(xué)家們逐漸擁有了更多的觀察工具，他們已經(jīng)學(xué)會了如何觀察無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線，他們看到了船底座星云中恒星的誕生，看到了土星第八個(gè)衛(wèi)星上間歇泉的噴發(fā)，確定了銀河系中心的位置，探測到了我們周圍類地行星的位置。

但是，百分之九十五的宇宙仍然無法用傳統(tǒng)的天文學(xué)手段觀察到。引力波也許還無法探測到構(gòu)成不可見宇宙大部分的所謂的暗能量，但它能幫助我們以前所未有的方式巡視時(shí)空?！耙Σ▽τ谖覀儊碚f是一種全新的望遠(yuǎn)鏡?！崩滋仄澱f，“這意味著一個(gè)全新的天文學(xué)領(lǐng)域正等待著我們?nèi)ヌ剿?。”萊文說。如果說我們之前所看到的宇宙是一部無聲電影，引力波將會讓我們的宇宙變成更精彩的有聲有色的大屏幕。

湊巧的是，LIGO可以檢測到的特定頻率的波段，也正好在人類的聽覺范圍內(nèi)，大約在35至250赫茲之間，但當(dāng)這個(gè)引力波的“唧唧”聲抵達(dá)地球時(shí)，已經(jīng)變得很輕很輕，LIGO捕獲到的也只有幾十億年前黑洞合并時(shí)0.2秒的一瞬，但是通過音頻處理后的聲音聽起來像一個(gè)“滑音”，相當(dāng)于“用你的手指和指甲的背面，在鋼琴上從最低音滑到中音C的聲音”，維斯說。

不同的天體會發(fā)出它們獨(dú)有的引力波，這意味著LIGO以及未來改進(jìn)版的LIGO最終有可能聽到“宇宙樂團(tuán)”的“交響樂”。比如，“雙中子星引力波的聲音就像短笛聲?！崩滋仄澱f。而單獨(dú)旋轉(zhuǎn)的脈沖星，可能會發(fā)出一個(gè)單音調(diào)的“叮”聲，就像三角鐵的聲音，黑洞的引力波則像弦樂聲，就像低音提琴產(chǎn)生的音域低的音調(diào)，取決于黑洞的質(zhì)量從這個(gè)低音再往上。但是，LIGO只能檢測到類似于小提琴和中提琴的聲音，要想聽到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的引力波的聲音，我們只有期待未來具有不同敏感性的探測器給我們帶來新的驚喜。

好幾個(gè)這樣的探測器正在規(guī)劃階段或在建階段，包括愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡，這是歐洲的一個(gè)項(xiàng)目，它的地下探測臂將是LIGO長度的兩倍以上，還有去年歐洲航天局在美國國家航空航天局（NASA）支持下建于太空中的由三種儀器設(shè)備構(gòu)成的eLISA。還有一些探測器已啟動并開始運(yùn)行，包括正在進(jìn)一步探測宇宙遙遠(yuǎn)過去的引力波回聲的BICEP2望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，雷特茲希望引力波的發(fā)現(xiàn)將激勵(lì)這一領(lǐng)域引入更多的投資。

升級后的LIGO的第一個(gè)觀察運(yùn)行于1月12日結(jié)束。艾弗勒和任務(wù)團(tuán)隊(duì)中的其他成員開始了新一輪的改進(jìn)工作，探測器正在一步步接近其最大的靈敏度。在未來的兩到三年時(shí)間里，它將每日記錄引力波事件，并在這個(gè)過程中收集更多的數(shù)據(jù)。到夏末時(shí)系統(tǒng)將再次上線，傾聽我們幾乎難以想象的來自宇宙深處的天籟之音。“我們正在打開一個(gè)與以往完全不同的觀察宇宙的新窗口，雖然我們還不知道通過這個(gè)窗口我們將看到什么，”索恩說道，“但它一定會給我們帶來更大的驚喜?！?/p>

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：遙醒]

本文作者尼古拉·特利（Nicola Twilley），《飲食地理》博客作者，《腹足類動物》播客節(jié)目的主辦人之一，《紐約客》雜志的特約撰稿人。