聆聽(tīng)宇宙的心跳等四則

聆聽(tīng)宇宙的心跳

2016年2月11日，引力波這個(gè)歷史性的發(fā)現(xiàn)由LIGO公之于世。天體物理學(xué)家聲稱引力波的發(fā)現(xiàn)打開了一扇通向宇宙的新窗。在這扇窗前，我們得以領(lǐng)略那些光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看不到卻能感知甚至聽(tīng)到的來(lái)自宇宙另一端的遠(yuǎn)古悸動(dòng)。

“我們探測(cè)到了引力波。我們成功了！”LIGO千人小組項(xiàng)目主管大衛(wèi)?萊茲在華盛頓舉辦的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金新聞發(fā)布會(huì)上宣布道。

“這一奇跡的偉大在于他們最終完成了這項(xiàng)任務(wù)，他們真的捉住了這些搗蛋鬼！”阿肯色大學(xué)理論物理學(xué)家、《以思想的速度旅行：愛(ài)因斯坦和對(duì)引力波的探索》一書的作者丹尼爾?肯納菲克說(shuō)道。引力波的發(fā)現(xiàn)開拓出引力波天文學(xué)這一全新領(lǐng)域，將大大加深人類對(duì)黑洞的形成、數(shù)量及作用的認(rèn)知。當(dāng)兩個(gè)黑洞對(duì)撞時(shí)會(huì)發(fā)出短促的“鳴音”，即逐漸升高音調(diào)和振幅直至戛然而止的時(shí)空波動(dòng)。LIGO探測(cè)到的這種聲響縱然十分微弱，無(wú)法用裸耳聽(tīng)到，卻仍屬于人類聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)。用手指滑過(guò)鋼琴琴鍵就可以重現(xiàn)引力波的鳴音?！皬匿撉偕献畹偷囊糸_始，到中央C，”魏斯說(shuō)，“這就是我們聽(tīng)到的?！?/p>

引力波實(shí)驗(yàn)

捕捉引力波需要巨大的耐心和精巧的手法。LIGO在華盛頓的漢福德市和路易斯安那州的利文斯頓市分別設(shè)有長(zhǎng)度為4千米的L形探測(cè)器。LIGO沿著這些4千米的干涉臂反復(fù)來(lái)回發(fā)射激光。若碰巧有引力波經(jīng)過(guò)，便會(huì)引起時(shí)空變形，導(dǎo)致一干涉臂長(zhǎng)一干涉臂短的現(xiàn)象。運(yùn)用世界上最先進(jìn)的儀器，科學(xué)家測(cè)量到干涉臂的長(zhǎng)度產(chǎn)生了小于千分之一質(zhì)子直徑的變化。這樣的精度在一個(gè)世紀(jì)前是不可想象的，而1968年，當(dāng)麻省理工學(xué)院的萊納?魏斯構(gòu)想出這一實(shí)驗(yàn)方法時(shí)還被大多數(shù)人視為異想天開。

據(jù)科學(xué)家判斷，第一個(gè)信號(hào)來(lái)自距地球13億光年的兩個(gè)大質(zhì)量黑洞對(duì)撞。兩個(gè)黑洞彼此圍繞著旋轉(zhuǎn)，越來(lái)越近，越來(lái)越快，大約一眨眼的工夫便釋放出相當(dāng)于三個(gè)太陽(yáng)的能量的引力波。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，空間與時(shí)間恰如一塊有彈性的布料，會(huì)在重物的擠壓下變形，而順著這塊布料的曲線便可以感覺(jué)到重力。但是這塊“時(shí)空”布料會(huì)像被擊打的鼓面一樣產(chǎn)生細(xì)微的波動(dòng)嗎？愛(ài)因斯坦本人都不確定自己的方程式意味著什么。連他最堅(jiān)定的擁躉們也不免懷疑引力波太過(guò)微弱以至無(wú)法被觀察到。引力波誕生于宇宙中的某些劇變，以此為中心向外層層擴(kuò)張開去，并在此過(guò)程中對(duì)時(shí)空進(jìn)行交替性拉伸和擠壓。然而當(dāng)引力波穿過(guò)重重時(shí)空被地球接收到時(shí)，這種拉伸和擠壓早已衰減成每英里不足一個(gè)原子核大的程度。

引力波探測(cè)

歷時(shí)5年、耗資2億美金的LIGO的探測(cè)器得到全面升級(jí)后，靈敏度大為提高。當(dāng)最初的引力波信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，每個(gè)人都持懷疑態(tài)度——尤其當(dāng)他們看到信號(hào)時(shí)。引力波的鳴音完美得宛如教科書里的范例，致使很多人都疑心數(shù)據(jù)被人動(dòng)過(guò)手腳。

不存一絲僥幸，LIGO的科學(xué)家們用數(shù)萬(wàn)臺(tái)儀器監(jiān)測(cè)著每一次數(shù)據(jù)運(yùn)行，測(cè)量他們可能測(cè)量的一切：地震活動(dòng)、氣壓、閃電、宇宙射線、儀器的振動(dòng)、激光束附近的聲響，諸如此類，不一而足。

引力波首次被探測(cè)到是在2015年9月一個(gè)周一的早晨。信號(hào)是如此響亮和清晰，以至于魏斯覺(jué)得，“這鬼東西不可能是引力波。”9月14日清晨，數(shù)據(jù)采集正式啟動(dòng)前兩天，第一道引力波掃過(guò)LIGO的探測(cè)器——開始在利文斯頓，7毫秒之后在漢福德。

時(shí)空中的風(fēng)暴

1968年，魏斯還是一名年輕的麻省理工學(xué)院教授，負(fù)責(zé)講授廣義相對(duì)論——作為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的魏斯所知甚少的一項(xiàng)理論。當(dāng)時(shí)正值約瑟夫?韋伯探測(cè)到引力波的新聞不脛而走。魏斯的學(xué)生們要求他對(duì)引力波作出詮釋并評(píng)價(jià)這條新聞。魏斯被其中復(fù)雜的數(shù)學(xué)嚇倒了?！拔乙活^霧水——完全不明白這些圓柱狀探測(cè)器是如何與引力波相互作用的?！彼聊チ季?，自問(wèn)道，“我能想到的可以探測(cè)到引力波的最原始的東西是什么？”一個(gè)想法躍入他腦中，這就是他所謂的“LIGO的概念基礎(chǔ)”。

想象一下，時(shí)空中有三件物體——比如，呈三角形排列的三面鏡子。“將光從其中一個(gè)發(fā)射到另一個(gè)，”魏斯說(shuō)，“記錄光從一個(gè)物體到達(dá)另一物體的時(shí)間，看時(shí)間是否發(fā)生變化。”事實(shí)證明，“你很快就能做出來(lái)。我把這作為題目出給我的學(xué)生們，結(jié)果一整個(gè)班級(jí)的學(xué)生都能算出來(lái)?！?/p>

接下來(lái)的數(shù)年，鑒于其他研究者無(wú)法復(fù)制出韋伯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，魏斯開始謀劃一個(gè)更精確、更有野心的實(shí)驗(yàn)：引力波干涉儀。激光L狀的三面鏡子間發(fā)射，形成兩道光束。光波可以準(zhǔn)確測(cè)量出兩道干涉臂的長(zhǎng)度，可看作時(shí)空的x和y軸。當(dāng)坐標(biāo)靜止時(shí)，兩道光波會(huì)折射回角落并互相抵消，在探測(cè)器中形成零信號(hào)。但是，假如有引力波掃過(guò)地球，就會(huì)將其中一道干涉臂的長(zhǎng)度拉長(zhǎng)，并將另一干涉臂的長(zhǎng)度壓縮。非對(duì)齊的兩道光束會(huì)在探測(cè)器中產(chǎn)生信號(hào)，在空間和時(shí)間中形成一閃即逝的震顫。

當(dāng)其他學(xué)者還在懷疑時(shí)，在加州理工學(xué)院研究黑洞的索恩在1975年與魏斯談話后表示了認(rèn)同?！拔议_始相信對(duì)引力波的搜尋會(huì)成功，”索恩說(shuō)，“我想讓加州理工也加入進(jìn)來(lái)?！彼偈辜又堇砉て赣昧艘恢背持斐鲆Σǜ缮鎯x的蘇格蘭實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家羅納德?德雷弗。索恩、德雷弗和魏斯最終組成了團(tuán)隊(duì)并肩作戰(zhàn)，在1984年創(chuàng)建了LIGO。10年后，探測(cè)器正式啟用。