首遇引力波

阿德里安·邱+晨飛

很久以前，在宇宙深處，兩顆巨大的恒星坍縮至無窮小的一點(diǎn)，它們產(chǎn)生的超強(qiáng)引力場，也就是黑洞，在引力作用下緩慢地相互靠近。這兩個(gè)恒星的幽靈在盤旋中越靠越近，直到大約13億年前，它們以1/2光速相互纏繞，最終合并到一起。這次合并向宇宙中送出了一陣戰(zhàn)栗，而這種在交織的時(shí)空中產(chǎn)生的漣漪就是引力波。幾個(gè)月前它們到達(dá)了地球，物理學(xué)家第一次有機(jī)會檢測到引力波，填補(bǔ)了40余載的研究空白，打開了通往宇宙的新視野。

第一個(gè)發(fā)現(xiàn)引力波的人

引力波的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）1000多名物理學(xué)家的工作獲得了成功。LIGO是兩臺巨型觀測設(shè)備，分別位于華盛頓的漢福德和路易斯安那的利文斯頓。在得到確認(rèn)之前，發(fā)現(xiàn)引力波的說法已經(jīng)流傳了好幾個(gè)月。2016年2月11日，在華盛頓特區(qū)召開的新聞發(fā)布會上，LIGO團(tuán)隊(duì)正式發(fā)布了這一消息?！拔覀冏龅搅?！”LIGO在帕薩迪納加州理工學(xué)院的常務(wù)理事、物理學(xué)家大衛(wèi)·瑞哲說：“外界圍繞這件事的各種傳言大多是正確的?！?/p>

100年前，阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)言了引力波的存在，但是想要直接檢測到引力波需要令人難以置信的技術(shù)，并且需要搜尋工作的歷史積累。LIGO的研究人員檢測到的引力波將空間拉伸了10-21，造成了地球十萬分之一的膨脹和收縮，大概就是一個(gè)原子核的寬度。這個(gè)觀測結(jié)果以前所未有的精度驗(yàn)證了愛因斯坦的廣義相對論，拿出了黑洞存在的絕對證據(jù)。馬里蘭州巴爾的摩約翰·霍普金斯大學(xué)的理論物理學(xué)家馬克·卡米昂考斯基說：“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)肯定會得諾貝爾獎(jiǎng)的。”

LIGO用于觀測這種微觀尺度上空間拉伸的設(shè)備，相當(dāng)于一把超精密的尺子：兩個(gè)呈L形的干涉儀，臂長4000米，每條臂末端的鏡子構(gòu)成一個(gè)長的共振腔，具有精確波長的激光就在這兩個(gè)鏡子之間來回彈跳，就像在管風(fēng)琴里回響的特定音高一樣。兩束激光會在兩臂相交之處重疊。如果這兩束激光在兩條臂上行進(jìn)的距離不同，它們的波形步調(diào)就會不一致，產(chǎn)生相互干擾。這會造成一部分光從一個(gè)被稱為暗端口的地方溢出，這部分光與波的起伏是同步的。

根據(jù)干擾現(xiàn)象，研究人員可以比較出兩臂長度在萬分之一個(gè)質(zhì)子寬度上的細(xì)微差別。對于檢測在經(jīng)過時(shí)對兩條臂產(chǎn)生不同長度拉伸作用的引力波，這種靈敏度是足夠的。然而，為了觀測到這樣微小的變化，科學(xué)家必須減弱背景里的噪音，比如隆隆作響的地震波、輕微敲擊的交通音以及遠(yuǎn)處海岸線上海浪的拍打聲。

2015年9月14日這一天，格林尼治時(shí)間9時(shí)50分45秒，LIGO的自動操作系統(tǒng)剛好檢測到了這樣一個(gè)信號。振蕩以每秒3 5赫茲的頻率產(chǎn)生，一直加快到250赫茲，并在產(chǎn)生后0.25秒消失。頻率的增高與兩個(gè)巨大天體旋轉(zhuǎn)著碰撞在一起所產(chǎn)生的模式相符合。位于路易斯安那和華盛頓兩個(gè)地方的檢測器接收到信號的時(shí)間有0.007秒的延遲，恰好就是引力波以光速掃過兩個(gè)檢測器之間距離的時(shí)間。

在一篇文章中，LIGO的研究人員說，該信號在統(tǒng)計(jì)顯著性上超過了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，這是物理學(xué)家用來宣布新發(fā)現(xiàn)時(shí)常用的標(biāo)準(zhǔn)。LIGO科學(xué)聯(lián)合會發(fā)言人、路易斯安那州立大學(xué)巴吞魯日校區(qū)的物理學(xué)家加布里埃拉·岡薩雷斯說：“信號太強(qiáng)了，在原始數(shù)據(jù)中都能看到它。如果對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，這個(gè)信號就能看得很明顯?！?/p>

跟計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果進(jìn)行比較后，科學(xué)家認(rèn)為這個(gè)引力波信號來自質(zhì)量分別為太陽的29倍和36倍的兩個(gè)黑洞，它們旋轉(zhuǎn)著靠近，然后合并。德國漢諾威馬克思·普朗克引力物理學(xué)研究所的LIGO成員布魯斯·艾倫表示，只有純粹由引力能構(gòu)成并通過愛因斯坦的質(zhì)能方程獲得質(zhì)量的黑洞才能把如此大的質(zhì)量裝進(jìn)一個(gè)這么小的空間里。艾倫說：“之前大家可以從原則上爭辯黑洞是否存在，現(xiàn)在就用不著了?！?/p>

黑洞的相互碰撞產(chǎn)生了肉眼觀測不到但能量相當(dāng)驚人的爆炸。模型顯示，最終合并在一起的黑洞質(zhì)量達(dá)到了太陽質(zhì)量的62倍—比最初的總質(zhì)量少了3個(gè)太陽的質(zhì)量。這些丟失的質(zhì)量以引力輻射的形式散失了。艾倫說：“那1/10秒的碰撞時(shí)間釋放出的亮光，比所有星系中所有的恒星都要耀眼，只不過都是引力波而已?！?/p>

加州理工學(xué)院的引力波理論物理學(xué)家基普·索恩在LIGO的發(fā)展中發(fā)揮了重要的帶頭作用。他認(rèn)為，其他被稱為伽馬射線爆發(fā)的恒星爆炸，其光亮同樣可以在一瞬間使恒星相形見絀，但是雙黑洞合并時(shí)的爆炸創(chuàng)造了一個(gè)震撼人心的紀(jì)錄。索恩說：“這是除宇宙大爆炸之外目前人類檢測到的最強(qiáng)大的爆炸?！?/p>

在檢測到引力波信號之后，LIGO的物理學(xué)家在5個(gè)月的時(shí)間里竭力防止消息泄露。一般來說，研究團(tuán)隊(duì)中的絕大多數(shù)工作人員都不知道信號是不是真的。LIGO會定期在數(shù)據(jù)讀取中加入被稱為“盲注入”的假信號刺激，以測試儀器，并讓研究人員保持警覺。但是在2015年9月14日這一天，物理學(xué)家剛剛完成了長達(dá)5年、耗資2.05億美元的儀器升級，盲注入系統(tǒng)還沒有開始運(yùn)行。

不過，LIGO的物理學(xué)家仍然需要排除其他各種可能性，包括這次讀取到的信號是否是惡意的騙局。瑞哲說：“我們花了大約一個(gè)月的時(shí)間來檢查是不是有人故意制造了一個(gè)假信號。這次檢查是一副重?fù)?dān)，這是首次檢測到引力波，所以必須得到確證，容不得半點(diǎn)差池?！?/p>

證明了引力波的存在或許并不是LIGO最重要的饋贈，因?yàn)橹熬鸵呀?jīng)有很多間接證據(jù)可以證實(shí)這一點(diǎn)。真正讓物理學(xué)家感到興奮的是檢測到引力波能夠帶來的科學(xué)前景。約翰· 霍普金斯大學(xué)的理論物理學(xué)家卡米昂考斯基說：“這一發(fā)現(xiàn)為觀測數(shù)量龐大的天體殘留物打開了一扇新的窗戶。我們知道宇宙里有很多這樣的物質(zhì)，但目前我們看到的只是很小的一部分。”

卡米昂考斯基還說，這次觀測同樣為檢驗(yàn)廣義相對論奠定了前所未有的基礎(chǔ)。截至目前，物理學(xué)家只在作用力相對較弱的情況下對引力進(jìn)行了研究。有了這個(gè)發(fā)現(xiàn)，他們現(xiàn)在可以研究一些極端情況下的引力作用，即強(qiáng)引力這一目前只有理論物理學(xué)家才涉足過的領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域中，引力場中的能量為天體貢獻(xiàn)了絕大部分質(zhì)量。

麻省理工學(xué)院的雷納·韋斯說，雙黑洞的合并是廣義相對論通過的第一個(gè)類似測驗(yàn)。雷納·韋斯是LIGO的發(fā)起人之一，他說：“用愛因斯坦的理論推算出的結(jié)論，跟觀測到的信號一模一樣。在我看來，這是一個(gè)奇跡?！?p>

雷納·韋斯在紐約科學(xué)展覽會上

檢測到引力波，標(biāo)志著自1972年韋斯在一篇文章中概括性地描述了LIGO的設(shè)計(jì)以來，幾十年的探索的高潮。1979年，美國國家科學(xué)基金會給麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院的研發(fā)工作提供了資助，1994年LIGO開始建設(shè)。這些價(jià)值2.72億美元的設(shè)備從2001年開始接收數(shù)據(jù)，然而直到完成了這次升級，物理學(xué)家才捕獲到信號。

如果LIGO的發(fā)現(xiàn)值得被授予諾貝爾獎(jiǎng)，應(yīng)該由誰來領(lǐng)取呢？很多人認(rèn)為韋斯是不二之選，但他本人并不認(rèn)同。他說：“我不愿意去想這個(gè)問題。如果LIGO獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，不應(yīng)該是因?yàn)闄z測到了引力波，因?yàn)楹諣査购吞├赵缭?974年就做到了這一點(diǎn)?！痹谒鞫骺磥恚嬲龖?yīng)該得獎(jiǎng)的是“所有實(shí)驗(yàn)人員，從雷和羅恩開始”。

與此同時(shí)，其他的發(fā)現(xiàn)可能很快就會到來：LIGO的研究人員還在分析檢測器在升級后第一次觀測運(yùn)行中獲取的數(shù)據(jù);LIGO計(jì)劃于2016年7月重新開始收集數(shù)據(jù);意大利的VIRGO 研究團(tuán)隊(duì)也有望在2016年晚些時(shí)候啟動重建的VIRGO檢測器。物理學(xué)家急切地等待著下一個(gè)引力波。