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，它們產(chǎn)生的超強引力場，也就是黑洞，在引力作用下緩慢地相互靠近。這兩個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，而這種在交織的時空中產(chǎn)生的漣漪就是引力波。幾個月前它們到達了地球，物理學家第一次有機會檢測到引力波，填補了40余載的研究空白，打開了通往宇宙的新視野。

第一個發(fā)現(xiàn)引力波的人

引力波的發(fā)現(xiàn)，標志著激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）1000多名物理學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。在得到確認之前，發(fā)現(xiàn)引力波的說法已經(jīng)流傳了好幾個月。2016年2月11日，在華盛頓特區(qū)召開的新聞發(fā)布會上，LIGO團隊正式發(fā)布了這一消息。“我們做到了！”LIGO在帕薩迪納加州理工學院的常務(wù)理事、物理學家大衛(wèi)·瑞哲說：“外界圍繞這件事的各種傳言大多是正確的。”

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，大概就是一個原子核的寬度。這個觀測結(jié)果以前所未有的精度驗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·霍普金斯大學的理論物理學家馬克·卡米昂考斯基說：“這項發(fā)現(xiàn)肯定會得諾貝爾獎的。”

LIGO用于觀測這種微觀尺度上空間拉伸的設(shè)備，相當于一把超精密的尺子：兩個呈L形的干涉儀，臂長4000米，每條臂末端的鏡子構(gòu)成一個長的共振腔，具有精確波長的激光就在這兩個鏡子之間來回彈跳，就像在管風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質(zhì)子寬度上的細微差別。對于檢測在經(jīng)過時對兩條臂產(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，格林尼治時間9時50分45秒，LIGO的自動操作系統(tǒng)剛好檢測到了這樣一個信號。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地方的檢測器接收到信號的時間有0.007秒的延遲，恰好就是引力波以光速掃過兩個檢測器之間距離的時間。

在一篇文章中，LIGO的研究人員說，該信號在統(tǒng)計顯著性上超過了5個標準差，這是物理學家用來宣布新發(fā)現(xiàn)時常用的標準。LIGO科學聯(lián)合會發(fā)言人、路易斯安那州立大學巴吞魯日校區(qū)的物理學家加布里埃拉·岡薩雷斯說：“信號太強了，在原始數(shù)據(jù)中都能看到它。如果對數(shù)據(jù)進行過濾處理，這個信號就能看得很明顯。”

跟計算機模擬的結(jié)果進行比較后，科學家認為這個引力波信號來自質(zhì)量分別為太陽的29倍和36倍的兩個黑洞，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)量裝進一個這么小的空間里。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。”

黑洞的相互碰撞產(chǎn)生了肉眼觀測不到但能量相當驚人的爆炸。模型顯示，最終合并在一起的黑洞質(zhì)量達到了太陽質(zhì)量的62倍—比最初的總質(zhì)量少了3個太陽的質(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。”

加州理工學院的引力波理論物理學家基普·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，但是雙黑洞合并時的爆炸創(chuàng)造了一個震撼人心的紀錄。索恩說：“這是除宇宙大爆炸之外目前人類檢測到的最強大的爆炸。”

在檢測到引力波信號之后，LIGO的物理學家在5個月的時間里竭力防止消息泄露。一般來說，研究團隊中的絕大多數(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，物理學家剛剛完成了長達5年、耗資2.05億美元的儀器升級，盲注入系統(tǒng)還沒有開始運行。

不過，LIGO的物理學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：“我們花了大約一個月的時間來檢查是不是有人故意制造了一個假信號。這次檢查是一副重擔，這是首次檢測到引力波，所以必須得到確證，容不得半點差池。”

證明了引力波的存在或許并不是LIGO最重要的饋贈，因為之前就已經(jīng)有很多間接證據(jù)可以證實這一點。真正讓物理學家感到興奮的是檢測到引力波能夠帶來的科學前景。約翰· 霍普金斯大學的理論物理學家卡米昂考斯基說：“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廣義相對論奠定了前所未有的基礎(chǔ)。截至目前，物理學家只在作用力相對較弱的情況下對引力進行了研究。有了這個發(fā)現(xiàn)，他們現(xiàn)在可以研究一些極端情況下的引力作用，即強引力這一目前只有理論物理學家才涉足過的領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域中，引力場中的能量為天體貢獻了絕大部分質(zhì)量。

麻省理工學院的雷納·韋斯說，雙黑洞的合并是廣義相對論通過的第一個類似測驗。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，這是一個奇跡。”

雷納·韋斯在紐約科學展覽會上

檢測到引力波，標志著自1972年韋斯在一篇文章中概括性地描述了LIGO的設(shè)計以來，幾十年的探索的高潮。1979年，美國國家科學基金會給麻省理工學院和加州理工學院的研發(fā)工作提供了資助，1994年LIGO開始建設(shè)。這些價值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，物理學家才捕獲到信號。

如果LIGO的發(fā)現(xiàn)值得被授予諾貝爾獎，應(yīng)該由誰來領(lǐng)取呢？很多人認為韋斯是不二之選，但他本人并不認同。他說：“我不愿意去想這個問題。如果LIGO獲得了諾貝爾獎，不應(yīng)該是因為檢測到了引力波，因為赫爾斯和泰勒早在1974年就做到了這一點。”在索恩看來，真正應(yīng)該得獎的是“所有實驗人員，從雷和羅恩開始”。

與此同時，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行中獲取的數(shù)據(jù);LIGO計劃于2016年7月重新開始收集數(shù)據(jù);意大利的VIRGO 研究團隊也有望在2016年晚些時候啟動重建的VIRGO檢測器。物理學家急切地等待著下一個引力波。