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引力波:聆听13亿光年外宇宙的心跳

100年前,爱因斯坦的广义相对论预言了两个黑洞合并时会引起时空波动,即引力波。半个世纪前,物理学家们开始搜寻引力波。直到最近,引力波才终于被探测到。

2016年2月11日,这个历史性的发现由LIGO公之于世。天体物理学家声称引力波的发现打开了一扇通向宇宙的新窗。在这扇窗前,我们得以领略那些光学望远镜看不到却能感知甚至听到的来自宇宙另一端的远古悸动。

“我们探测到了引力波。我们成功了!”LIGO千人小组项目主管大卫·莱兹在华盛顿举办的美国国家科学基金新闻发布会上宣布道。

引力波或许是爱因斯坦广义相对论中最让人捉摸不透的预言。为此,爱因斯坦与其同时代的人争论了几十年。根据爱因斯坦的理论,空间与时间恰如一块有弹性的布料,会在重物的挤压下变形,而顺着这块布料的曲线便可以感觉到重力。但是这块“时空”布料会像被击打的鼓面一样产生细微的波动吗?爱因斯坦本人都不确定自己的方程式意味着什么。连他最坚定的拥趸们也不免怀疑引力波太过微弱以至无法被观察到。引力波诞生于宇宙中的某些剧变,以此为中心向外层层扩张开去,并在此过程中对时空进行交替性拉伸和挤压。然而当引力波穿过重重时空被地球接收到时,这种拉伸和挤压早已衰减成每英里不足一个原子核大的程度。

捕捉这些引力波需要巨大的耐心和精巧的手法。LIGO在华盛顿的汉福德市和路易斯安那州州的利文斯顿市分别设有长度为4千米的L形探测器。LIGO沿着这些4千米的干涉臂反复来回发射激光。若碰巧有引力波经过,便会引起时空变形,导致一干涉臂长一干涉臂短的现象。运用世界上最先进的仪器,科学家测量到干涉臂的长度产生了小于千分之一质子直径的变化。这样的精度在一个世纪前是不可想象的,而1968年,当麻省理工学院的莱纳·魏斯构想出这一实验方法时还被大多数人视为异想天开。

“这一奇迹的伟大在于他们最终完成了这项任务,他们真的捉住了这些捣蛋鬼!”阿肯色大学理论物理学家、2007出版的《以思想的速度旅行:爱因斯坦和对引力波的探索》一书作者丹尼尔·肯纳菲克说道。引力波的发现开拓出引力波天文学这一全新领域,将大大加深人类对黑洞的形成、数量及作用的认知。当两个黑洞对撞时会发出短促的“鸣音”,即逐渐升高音调和振幅直至戛然而止的时空波动。LIGO探测到的这种声响纵然十分微弱,无法用裸耳听到,却仍属于人类听觉范围内。用手指滑过钢琴琴键就可以重现引力波的鸣音。“从钢琴上最低的音开始,到中央C,”魏斯说,“这就是我们听到的。”

迄今为止探测到的信号数量及强度显示,黑洞的数量远多于预期。这让物理学家们惊叹不已。“我们很幸运,不过我一直就觉得我们会有好运气的,”与魏斯及罗纳德·德雷弗共同创立LIGO的加州理工学院理论物理学家基普·索恩说道。“这通常发生在通往宇宙的一扇新窗敞开之时。”

引力波可能会重塑人类的宇宙观,甚至让人类发现之前难以想象的宇宙事件。

“这就像人类第一次将望远镜对准天空,”哥伦比亚大学巴纳德学院理论天体物理学家珍娜·莱文说道。“人们意识到远处有可看之物,却不曾预见到宇宙中存在的那些不可思议的伟大可能性。”同样地,莱文认为,引力波的发现可能揭露出“宇宙充满了暗物质,只是我们用望远镜看不到而已。”

引力波首次被探测到是在九月一个周一的早晨。信号是如此响亮和清晰,以至于魏斯觉得,“这鬼东西不可能是引力波。”

9月14日清晨,数据采集正式启动前两天,第一道引力波扫过LIGO的探测器——开始在利文斯顿,7毫秒之后在汉福德。

历时5年、耗资2亿美金,LIGO的探测器得到了全面升级,灵敏度较之前大为提高。用魏斯的话说,“从2002年到2010年,第一代LIGO交了张大白卷。”

当最初的引力波信号出现时,欧洲的科学家们欣喜若狂地给他们的美国同事发去了电子邮件。这一爆炸性消息自此甚嚣尘上。据魏斯回忆,当时每个人都持怀疑态度——尤其当他们看到信号时。引力波的鸣音完美得宛如教科书里的范例,致使很多人都疑心数据被人动过手脚。

历史上,从20世纪60年代马里兰大学的约瑟夫·韦伯开始,引力波被误报的乌龙事件曾发生过数次。最近的一次发生在2014年一项名为BICEP2的实验中。实验人员宣称他们探测到了宇宙大爆炸中残存下来的远古引力波信号。这一新闻被传得沸沸扬扬,直到该信号被其他学者证明其实来自于太空尘埃。

当亚利桑那州立大学宇宙学家劳伦斯·克劳斯听说LIGO的探测结果时,“我第一反应还以为是盲注。”很多研究人员都不知道,在初代LIGO时期,数据流中会秘密注入一些模拟信号用来测试响应。当克劳斯得到内部消息说这次的信号不是盲注,他再也按捺不住激动之情,于9月25日在推特上向自己的20万粉丝公布:“有消息称LIGO探测器探测到了引力波。要是真的就太惊人了。如若属实我会再发布详细内容。”随后,1月11日,他写道:“早先关于LIGO的传言已得到独立消息源证实。敬请关注!引力波或许真的被发现了!”

在信号的真实性确保万无一失之前,LIGO团队的官方姿态一直保持低调。索恩甚至对自己的太太都缄口不言。“我私下庆祝来着,”他说。团队的第一步行动是回头抽丝剥茧地分析信号是如何透过数以万计的不同测量频道扩散的,并且试图找出信号出现的同时有无任何异样。一切正常。团队也排除了黑客入侵系统的可能性。“连执行盲注的团队也无法做到不留一丝痕迹,”索恩说道。“一切完全是天衣无缝。”

接下来的数周中,另一个稍弱的鸣音出现了。

随着更多的信号涌现,科学家对最初的两个信号进行了分析,于1月将论文投给了《物理评论通讯》。其中,对第一个稍强的信号强度评估为超过“5西格玛”,意味着科学家们在99.9999%的程度上肯定了信号的真实性。

爱因斯坦广义相对论方程式是如此深奥复杂,以致于大部分物理学家们花了40年时间才认同引力波真实可测——即使只是在理论上。

爱因斯坦起初认为物体无法以引力辐射的形式释放能量,后来改变了观点。即便如此,爱因斯坦和他的同事们对此仍含糊其辞。部分物理学家认为即使引力波存在,也会因为地球的振荡无法被感知。直到1957年,理查德·费曼将这个问题暂且搁置,提出一个设想:如果引力波存在,在理论上就是可测的。然而没人清楚释放出引力波的波源在宇宙中有多少,也没人知道由此产生的引力波的强度。“终极问题就是:我们究竟还能不能探测到引力波?”肯纳菲克说。

1968年,魏斯还是一名年轻的麻省理工学院教授,负责讲授广义相对论——作为实验物理学家的魏斯所知甚少的一项理论。当时正值约瑟夫·韦伯探测到引力波的新闻不胫而走。魏斯的学生们要求他对引力波作出诠释并评价这条新闻。魏斯被其中复杂的数学吓倒了。“我一头雾水——完全不明白这些圆柱状探测器是如何与引力波相互作用的。”他琢磨良久,自问道,“我能想到的可以探测到引力波的最原始的东西是什么?”一个想法跃入他脑中,这就是被他所谓的“LIGO的概念基础”。

想象一下,时空中有三件物体——比如,呈三角形排列的三面镜子。“将光从其中一个发射到另一个,”魏斯说。“记录光从一个物体到达另一物体的时间,看时间是否发生变化。”事实证明,“你很快就能做出来。我把这作为题目出给我的学生们,结果一整个班级的学生都能算出。”

接下来的数年,鉴于其他研究者无法复制出韦伯的实验结果,魏斯开始谋划一个更精确、更有野心的实验:引力波干涉仪。激光L状的三面镜子间发射,形成两道光束。光波可以准确测量出两道干涉臂的长度,可看作时空的x和y轴。当坐标静止时,两道光波会折射回角落并互相抵消,在探测器中形成零信号。但是,假如有引力波扫过地球,就会将其中一道干涉臂的长度拉长,并将另一干涉臂的长度压缩。非对齐的两道光束会在探测器中产生信号,在空间和时间中形成一闪即逝的震颤。

当其他学者还在怀疑时,在加州理工学院研究黑洞的索恩在1975年与魏斯谈话后表示了认同。“我开始相信对引力波的搜寻会成功,”索恩说,“我想让加州理工也加入进来。”他促使加州理工聘用了一直吵着要造出引力波干涉仪的苏格兰实验物理学家罗纳德·德雷弗。索恩、德雷弗和魏斯最终组成了团队并肩作战,在1984年创建了LIGO。10年后,探测器正式启用。

不存一丝侥幸,LIGO的科学家们用数万台仪器监测着每一次数据运行,测量他们可能测量的一切:地震活动、气压、闪电、宇宙射线、仪器的振动、激光束附近的声响,诸如此类,不一而足。

“奇怪的信号无时无刻不在。”马可·卡瓦利亚,LIGO的助理发言人说道。科学家们必须追踪这些幽灵般的存在和其他捣乱的振动模式直到它们的源头,才能除掉这些干扰物。

LIGO探测器的灵敏度仍在不断提高,第三台干涉仪也将在意大利启用。得到的数据或将有助于理解黑洞是如何形成的。“这只是两个想法,尘埃落定前肯定还有更多。”魏斯说道。

据科学家判断,第一个信号来自距地球13亿光年的两个大质量黑洞对撞。两个黑洞彼此围绕着旋转,越来越近,越来越快,大约一眨眼的工夫便释放出相当于三个太阳的能量的引力波。

“仿佛我们从未见过风暴中的汪洋,”索恩说道。他从60年代起就等待着时空中的风暴到来。当引力波最终来到时,他感受到的并非兴奋,他说,而是其他的东西:一种深远的满足。


文章来源:Quanta Magazine

文章作者:Natalie Wolchover

编译:未来论坛 商白

文章转载请注明出处为 “未来论坛”微信账号(ID:futureforum)

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