來自宇宙的聲音——引力波

[英]馬庫斯·喬恩/著 楊泓/譯

《三體》中的引力波真實(shí)存在嗎？

在一個遙遠(yuǎn)的星系中，兩個巨大的黑洞被鎖定在相互纏繞的死亡旋渦中。就在地球上最復(fù)雜的生物還只是古老的細(xì)菌時，兩個黑洞完成了最后一次繞轉(zhuǎn)，發(fā)生碰撞，合并在了一起。那一瞬間，相當(dāng)于太陽質(zhì)量3倍的黑洞驟然消失了。片刻之后，那些消失的質(zhì)量化作時空振蕩的海嘯，以光速向外奔涌而出。

在這短暫的一瞬間，引力波的能量相當(dāng)于宇宙中所有恒星輻射能量總和的50余倍。換句話說，如果黑洞合并不產(chǎn)生劇烈的時空振蕩，而產(chǎn)生可見光，那么其亮度將是整個宇宙亮度的50余倍。

這次的引力波就像池塘水面上的同心漣漪那樣向外擴(kuò)散，沿途沖刷著100萬個星系，輕搖著100億億顆恒星，撩撥著無數(shù)的行星、衛(wèi)星、小行星和彗星。

此時，這股滾滾向前的時空漣漪早已跨越遼闊的宇宙，橫掃銀河系的外緣，涌入了銀河系內(nèi)部的獵戶座旋臂，輕撫了太陽系邊緣冰冷的彗星云，相繼拂過火星、月球和地球大氣層，最后，在歷經(jīng)13億年漫長的太空傳播之后，涌入了某種一直在默默等待的東西。

2015年9月14日，德國漢諾威

將近中午時分，聽見“?！钡囊宦暎陔娔X前的馬可·德拉戈知道，有電子郵件到了，但他正忙著寫一篇科學(xué)論文，沒有立即查看郵件內(nèi)容。

2015年9月14日，星期一，本來這一天對于德拉戈來說與平日沒有什么不同。他離開位于諾德施塔特的公寓，步行10分鐘，來到了馬克斯·普朗克引力物理研究所。通常在早上9點(diǎn)，德拉戈就到了一樓的辦公室，坐在筆記本電腦前查看前一天晚上收到的郵件。LIGO-Virgo合作項(xiàng)目涉及不同國家和地區(qū)的大約1000人，不同地域的人之間有著時間差，這意味著電子郵件溝通是不間斷的。

前一年，德拉戈從意大利維羅納附近的特倫托大學(xué)來到德國。他在馬克斯·普朗克引力物理研究所做博士后時，在監(jiān)控一種計(jì)算程序，它用來分析美國的兩個LIGO引力波探測器以及歐洲的Virgo引力波探測器的輸出信號，以從中篩選出可能是引力波的觸發(fā)信號。

德拉戈打開了未讀郵件。在意大利比薩附近的Virgo探測器還沒有投入運(yùn)行，所以只有兩個附件，一個來自美國路易斯安那州的利文斯頓，另一個來自華盛頓州的漢福德。

在利文斯頓的LIGO是一把長達(dá)4000米的激光“尺”，而3000千米外的漢福德也有一把同樣的激光“尺”。當(dāng)?shù)吕挈c(diǎn)擊打開兩個附件，并讓二者一上一下分屏顯示時，他注意到在東部標(biāo)準(zhǔn)時間早上5點(diǎn)51分，利文斯頓的尺發(fā)生了顫動，7毫秒——還不到1秒的1%——之后，漢福德的尺也發(fā)生了完全相同的顫動。顫動顯示為從左到右的蛇形線條，線條上下對稱的偏移完美地反映了超級尺的伸縮。在大約1/10秒的時間里，擺動變得越來越快，越來越強(qiáng)烈，在達(dá)到最大值后，快速消失。

毫無疑問，這就是一掠而過的引力波的標(biāo)志信號。這列引力波來自一對合并中的黑洞。但是，這個事實(shí)對于德拉戈來說太荒謬了，他一絲一毫都不相信自己看到的就是引力波信號。

盡管這個LIGO已經(jīng)運(yùn)行1個月了，但其仍在進(jìn)行工程升級，以提高靈敏度，并且要到4天后的9月18日才開始按計(jì)劃進(jìn)行科學(xué)探測工作。德拉戈在想，開機(jī)時間才這么短，探測到引力波的可能性有多大呢？可能性幾乎為零。

這并不是引起德拉戈警覺的唯一事情。引力波極其微弱，原因很簡單，萬有引力極其微弱，與把人體原子黏合在一起的電磁力相比，只有后者的1/1040。

這等于說，時空是非常堅(jiān)硬的——比鋼鐵還硬1027倍。振動鼓面很容易，但要振動時空的鼓面卻非常困難。盡管在空中揮揮手也會在時空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生漣漪，但只有難以想象的最劇烈的物質(zhì)運(yùn)動，比如黑洞的合并，才能產(chǎn)生足以被21世紀(jì)的技術(shù)探測到的引力波。

然而，黑洞合并很可能是非常罕見的，這意味著產(chǎn)生引力波的事件很可能都發(fā)生在宇宙中離我們非常遙遠(yuǎn)的地方。引力波在宇宙不可思議的巨大體積里擴(kuò)散，它將被稀釋成無限微弱的漣漪。因此，所有人都預(yù)期，LIGO-Virgo接收到的第一個信號應(yīng)該是混雜在背景噪聲里的、只能勉強(qiáng)辨別的微弱信號。但是，德拉戈在電腦屏幕上看到的信號一點(diǎn)也不微弱。信號強(qiáng)大且清晰地顯示在屏幕之上。所以他確信，肯定是弄錯了，這一定是個假警報(bào)。

為了印證自己的想法，德拉戈來到了一位瑞典博士后同事安德魯·倫德格林的辦公室。當(dāng)來自漢福德和利文斯頓的兩個相同的波形出現(xiàn)在屏幕上時，兩個人的意見一致：這是假信號。

有兩種假信號的可能：第一種假信號，是為了測試儀器的反應(yīng)，有時候，LIGO-Virgo的工程師會向系統(tǒng)中注入一個偽信號。但一定會注明預(yù)注，然而德拉戈和倫德格林并沒有看到預(yù)注的標(biāo)志;第二種假信號，是為了確保物理學(xué)家能夠區(qū)分真實(shí)的引力波和虛假的人為信號，一個由物理學(xué)家組成的小團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)進(jìn)行的盲注。

兩天后，一切都變了。從那個讓科學(xué)家們時刻保持警覺的物理學(xué)家小團(tuán)隊(duì)傳來了驚心動魄的消息：沒有盲注。

那天傍晚，德拉戈離開馬克斯·普朗克引力物理研究所回家時，注意到走廊墻上有一幅1米高的愛因斯坦畫像。這位在近一個世紀(jì)前曾預(yù)測過引力波存在的偉人，似乎正在調(diào)皮地對他微笑著說：“我說有，果然有吧？”

引力波的確認(rèn)與公布

2015年9月14日之后的數(shù)月里，德拉戈和LIGO-Virgo團(tuán)隊(duì)其他人的工作都繁重而艱巨。清單上列出了一長串的設(shè)備和軟件，每一項(xiàng)都要檢查，以確認(rèn)沒有發(fā)生故障。

當(dāng)所有這些工作都完成之后，他們得出的結(jié)論是，在漢福德和利文斯頓看到的信號確實(shí)有可能是隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的，但就概率而言，這種隨機(jī)噪聲需要20萬年才能發(fā)生一次。信號的真實(shí)性似乎是毋庸置疑的，但還有最后一種可能性，那就是他們看到的是惡意的信號。

是否有人非法入侵了兩個LIGO網(wǎng)站的電腦，并注入了信號呢？這種可能性很難排除。但調(diào)查小組得出的結(jié)論是，黑客要侵入電腦留下假信號，而且不留下任何痕跡，那就需要對多個復(fù)雜系統(tǒng)了如指掌。

此時的德拉戈和同事們正處于一種很少見的狀況，他們知道了世界上其他人不曾知道的事情，歷史上從沒有人知道過的事情。盡管每個人都宣誓要保守秘密，但當(dāng)涉及來自16個國家的大約1000人時，就變得很難。

重大發(fā)現(xiàn)的傳聞不可避免地在科學(xué)界流傳開來。9月25日，亞利桑那州立大學(xué)的勞倫斯·克勞斯在推特上寫道：“有傳言說在LIGO探測器上發(fā)現(xiàn)引力波的信號了。如果這是真的，那也太神奇了。如果再有新的進(jìn)展，我將發(fā)布詳細(xì)信息?！?/p>

2016年初，德拉戈于2015年9月14日首次看到的信號被命名為GW150914。

2月11日，新聞發(fā)布會在華盛頓國家新聞俱樂部舉行，現(xiàn)場提供了關(guān)于該項(xiàng)目的簡短介紹和視頻，人們的興奮達(dá)到了頂點(diǎn)?！段锢碓u論快報(bào)》與發(fā)布會在同一時間發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)的論文。

公眾的興趣完全超出了德拉戈的想象。在愛因斯坦預(yù)測引力波100年后，引力波的發(fā)現(xiàn)成為了重大的國際事件。科學(xué)獲得了全新的感官，就好比天生耳聾的人突然在一夜之間能聽到聲音了，這就是物理學(xué)家和天文學(xué)家的感受。從古到今，他們都是用眼睛和望遠(yuǎn)鏡“看”宇宙的，而現(xiàn)在，他們第一次“聽”到了宇宙。引力波就是“宇宙的聲音”。

德拉戈是歷史上第一個目睹引力波識別標(biāo)志信號的人。在他打開那封電子郵件之前，引力波已經(jīng)在太空中傳播了13億年，沒有人知道它的存在?！叭绻翘煳蚁热コ晕顼?，而不是查看郵件的話，”德拉戈說：“第一個看到信號的就應(yīng)該是別人，而不是我了。”

（摘自江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社《逼近宇宙的秘密》??? 作者：[英]馬庫斯·喬恩??? 譯者：楊泓）