引力波發(fā)現(xiàn)的內幕故事

Nicola+Twilley+李雨蒙

十幾億年前，距離這里有數(shù)百萬個河外星系之外，兩個黑洞發(fā)生了劇烈碰撞。它們好似以一種求偶舞蹈的方式彼此永恒地盤旋在一起，每次旋轉都在加速，猛烈碰撞逐漸靠近。等到它們之間只有幾百英里遠的時候，它們會以近乎光速繞轉，并釋放巨大的引力能量。時間和空間變得扭曲，就像沸騰的開水一般。一瞬間，兩個黑洞融合一體，它們釋放出比全宇宙所有恒星的總和還要大數(shù)百倍的能量。最終，它們形成一個全新的黑洞，是太陽重量的62倍，面積幾乎像美國緬因州那樣大。當新黑洞逐漸平緩下來，形成稍顯平整的球狀，釋放最后幾絲震動后，時間和空間將再度沉寂。

引力波向各個方向泛起漣漪，到達后逐漸弱化。地球上，恐龍崛起、進化、滅亡，引力波則繼續(xù)前進。大概五萬年前，引力波到達了我們的銀河系，智人開始取代其近親尼安德特人成為地球主要的類人猿種群。100年前，愛因斯坦——最優(yōu)秀的人類一員，預言了引力波的存在，激發(fā)了數(shù)十年的思索和徒勞的尋找。20年前，一個巨大的探測器開始建設：the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory激光干涉儀引力波瞭望臺（LIGO）。2015年9月14日，歐洲中部時間中午11點前，引力波到達了地球。MarcoDrago，一位32歲的意大利籍博士后學生，全球LIGO科學合作組織的成員，成為第一個注意到它們的人。Marco當時坐在位于德國阿爾伯特·愛因斯坦研究所他自己的電腦前，遠程觀看LIGO的數(shù)據(jù)。引力波出現(xiàn)在他的屏幕上，就像一個被壓縮了的波形曲線，不過LIGO裝置著全宇宙最精致的耳朵，能夠聽到低于一兆分之一英寸的振動，聽到了被天文學家稱為鳥叫聲的聲音——一種由低到高的模糊的歡呼聲。近日，在美國華盛頓舉行的記者招待會上，LIGO團隊正式宣布這個信號成為第一個對引力波的直接觀測。

自從有人建設第一臺探測引力波的設備到現(xiàn)在，已經(jīng)過去將近50年。第一個嘗試探測的人是美國馬里蘭大學帕克分校的工程學教授JoeWeber，他稱自己的設備叫共鳴條天線。Weber相信鋁制的圓柱體可以被當做鈴鐺，放大微弱的引力波。當引力波撞到圓柱體，圓柱體會輕微地振動，圓珠周圍的傳感器會把這種振動轉化為電子信號。為了確保他測量到的不是周圍經(jīng)過卡車或者輕微地震造成的振動，Weber發(fā)明了一些保護措施：他將共鳴條懸置在真空中，并且放置在兩個不同的地點，一個在馬里蘭大學的校園，另一個在芝加哥附近的Argonne國家實驗室。如果兩個共鳴條在微小時間間隔中產(chǎn)生同樣的振動，他認為就可能是引力波造成的。

1969年6月份，Weber宣布了他的共鳴條記錄了引力波事件。物理學家和媒體都很激動，不過其他實驗室的共鳴條都沒有產(chǎn)生與他類似的觀察結果，人們開始逐漸懷疑他的觀察結果。到了1974年，許多人都斷言Weber的結果是錯誤的。Weiss由于在麻省理工教授本科課程時，難以解釋Weber的理論而受挫后，決定開始自己進行實驗設計，后來它成為了研究項目。他在2000年一段口述歷史中曾表示：“我不能理解Weber所做的事情，我認為他是錯的，所以我必須自己去尋找答案?！?/p>

LIGO科研團隊的部分工作是研究愛因斯坦相對論中那些難解的理論。這個理論簡單來說，就是大量存在的時間和空間曲線，這些曲線率所產(chǎn)生的作用被稱為地心引力。當兩個黑洞相互盤旋，它們之間伸展和壓縮時空就好像孩子在蹦床里繞圈跑步一樣，所產(chǎn)生的共振會來到最邊緣，而這些共振就是引力波。它們每時每刻都在穿過我們，從起源跨越整個宇宙，但是由于地心引力遠比其他自然界的基本力都要微弱許多，比如電磁力，或是聚合原子的交互作用，即使這些基本力我們也從未親身感受過。而愛因斯坦認為這些力量是不太可能被探測到的。他曾經(jīng)兩次宣布它們不存在，可是后來又推翻這種預測，并再次推翻。曾有同時代的質疑者這樣打趣的說：“看來引力波是以思考的速度傳播的?！?/p>

LIGO團隊中，有一支小組的工作是負責注入隱蔽的信號——就是偽造的引力波證據(jù)，其目的是使科學家們保持對研究項目的高度關注。盡管所有人都知道這小組中的4個人是誰。“但是我們并不知道他們是何時、怎樣或是否注入了信號。”LIGO項目的發(fā)言人Gabiela說到。在2010年LIGO的最后一次探測時，探測器就捕獲了一個類似的強烈信號?？茖W家們集中分析了近6個月的時間，得出的結論是來自于大犬星座某處的引力波?？墒牵斔麄儨蕚湟蚬姲l(fā)布消息時，卻發(fā)現(xiàn)這是一個偽造的信號。

而這次，整個偽造信號小組全體發(fā)誓，他們和這個信號沒有任何關系。Marco Drago則認為連這發(fā)誓否認都是測試的一部分，然而Reitze本人就是這四重奏中的一員，他認為他們都是一群對虛報近乎偏執(zhí)般謹慎的人，如果在這種情況下，發(fā)出假信號是否是某人的惡意之舉。但是經(jīng)過對四人小組和其他有可能影響設備的人的分析后，發(fā)現(xiàn)他們并沒有動機做這一切。最終，最合理的解釋就是這是一雙黑洞造成的。

事實上，這么早發(fā)現(xiàn)引力波引起了一些困惑和質疑?！拔以嬖V所有人在2017年或2018年之前，我們什么都不會看到。”哥倫比亞大學巴納德學院的天體物理學家Jannalevin這樣說到。她是LIGO科研項目中的一員，當她聽到這個消息的時候，她同樣感到難以置信，“我說你開什么玩笑呢，別逗了。但是那個信號卻近乎于完美的出現(xiàn)。我們中的大多數(shù)人都認為，引力波的信號應該是需要經(jīng)過許多電腦的計算從大量的噪音中剝離出的那個聲音，我們覺得這個過程會像科學測驗一般?！?/p>

LIGO科學家們從這一引力波中得到了驚人的信息量，其中發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)生引力波的大量黑洞，它們的軌道速度以及接觸黑洞表面時的精確時刻。實際上，讓我們出乎意料的一點是，黑洞要比我們預想的重許多，如果經(jīng)過未來觀察確認，或許能解釋在許多星系中是如何形成這些神秘的超重黑洞的。同樣的，LIGO團隊也能夠量化所謂的鈴流，即三次能量爆發(fā)，當形成球狀時將形成新的更大黑洞。因為鈴流頗為壯觀，它能夠確認一部分相對論中關于黑洞的最重要預言，也就是它們在融合之后以引力波的形式輻射出瑕疵部分。

此次探測，同時也證實了愛因斯坦對這個物質宇宙另一面的理論。盡管他的理論探討的是地心引力，可是在我們的太陽系中它是被首先證明，最微弱的引力體系?！爱斈闩罉翘輹r你會真的感受到地球引力的存在。”weiss說到，“可是，按照目前物理學研究的程度，它只是最弱小、微小，甚至微不足道的影響?！笨墒?，當靠近一個黑洞，地心引力就變成了宇宙中最強大的力量，足以撕裂原子。正如愛因斯坦在年預測的那樣，LIGO的探測結果認為他的等式與實際發(fā)現(xiàn)近乎完美地排列在一起。

編譯自《紐約客》