引力波发现的内幕故事

Nicola+Twilley+李雨蒙

十几亿年前，距离这里有数百万个河外星系之外，两个黑洞发生了剧烈碰撞。它们好似以一种求偶舞蹈的方式彼此永恒地盘旋在一起，每次旋转都在加速，猛烈碰撞逐渐靠近。等到它们之间只有几百英里远的时候，它们会以近乎光速绕转，并释放巨大的引力能量。时间和空间变得扭曲，就像沸腾的开水一般。一瞬间，两个黑洞融合一体，它们释放出比全宇宙所有恒星的总和还要大数百倍的能量。最终，它们形成一个全新的黑洞，是太阳重量的62倍，面积几乎像美国缅因州那样大。当新黑洞逐渐平缓下来，形成稍显平整的球状，释放最后几丝震动后，时间和空间将再度沉寂。

引力波向各个方向泛起涟漪，到达后逐渐弱化。地球上，恐龙崛起、进化、灭亡，引力波则继续前进。大概五万年前，引力波到达了我们的银河系，智人开始取代其近亲尼安德特人成为地球主要的类人猿种群。100年前，爱因斯坦——最优秀的人类一员，预言了引力波的存在，激发了数十年的思索和徒劳的寻找。20年前，一个巨大的探测器开始建设：the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory激光干涉仪引力波瞭望台（LIGO）。2015年9月14日，欧洲中部时间中午11点前，引力波到达了地球。MarcoDrago，一位32岁的意大利籍博士后学生，全球LIGO科学合作组织的成员，成为第一个注意到它们的人。Marco当时坐在位于德国阿尔伯特·爱因斯坦研究所他自己的电脑前，远程观看LIGO的数据。引力波出现在他的屏幕上，就像一个被压缩了的波形曲线，不过LIGO装置着全宇宙最精致的耳朵，能够听到低于一兆分之一英寸的振动，听到了被天文学家称为鸟叫声的声音——一种由低到高的模糊的欢呼声。近日，在美国华盛顿举行的记者招待会上，LIGO团队正式宣布这个信号成为第一个对引力波的直接观测。

自从有人建设第一台探测引力波的设备到现在，已经过去将近50年。第一个尝试探测的人是美国马里兰大学帕克分校的工程学教授JoeWeber，他称自己的设备叫共鸣条天线。Weber相信铝制的圆柱体可以被当做铃铛，放大微弱的引力波。当引力波撞到圆柱体，圆柱体会轻微地振动，圆珠周围的传感器会把这种振动转化为电子信号。为了确保他测量到的不是周围经过卡车或者轻微地震造成的振动，Weber发明了一些保护措施：他将共鸣条悬置在真空中，并且放置在两个不同的地点，一个在马里兰大学的校园，另一个在芝加哥附近的Argonne国家实验室。如果两个共鸣条在微小时间间隔中产生同样的振动，他认为就可能是引力波造成的。

1969年6月份，Weber宣布了他的共鸣条记录了引力波事件。物理学家和媒体都很激动，不过其他实验室的共鸣条都没有产生与他类似的观察结果，人们开始逐渐怀疑他的观察结果。到了1974年，许多人都断言Weber的结果是错误的。Weiss由于在麻省理工教授本科课程时，难以解释Weber的理论而受挫后，决定开始自己进行实验设计，后来它成为了研究项目。他在2000年一段口述历史中曾表示：“我不能理解Weber所做的事情，我认为他是错的，所以我必须自己去寻找答案。”

LIGO科研团队的部分工作是研究爱因斯坦相对论中那些难解的理论。这个理论简单来说，就是大量存在的时间和空间曲线，这些曲线率所产生的作用被称为地心引力。当两个黑洞相互盘旋，它们之间伸展和压缩时空就好像孩子在蹦床里绕圈跑步一样，所产生的共振会来到最边缘，而这些共振就是引力波。它们每时每刻都在穿过我们，从起源跨越整个宇宙，但是由于地心引力远比其他自然界的基本力都要微弱许多，比如电磁力，或是聚合原子的交互作用，即使这些基本力我们也从未亲身感受过。而爱因斯坦认为这些力量是不太可能被探测到的。他曾经两次宣布它们不存在，可是后来又推翻这种预测，并再次推翻。曾有同时代的质疑者这样打趣的说：“看来引力波是以思考的速度传播的。”

LIGO团队中，有一支小组的工作是负责注入隐蔽的信号——就是伪造的引力波证据，其目的是使科学家们保持对研究项目的高度关注。尽管所有人都知道这小组中的4个人是谁。“但是我们并不知道他们是何时、怎样或是否注入了信号。”LIGO项目的发言人Gabiela说到。在2010年LIGO的最后一次探测时，探测器就捕获了一个类似的强烈信号。科学家们集中分析了近6个月的时间，得出的结论是来自于大犬星座某处的引力波。可是，当他们准备要向公众发布消息时，却发现这是一个伪造的信号。

而这次，整个伪造信号小组全体发誓，他们和这个信号没有任何关系。Marco Drago则认为连这发誓否认都是测试的一部分，然而Reitze本人就是这四重奏中的一员，他认为他们都是一群对虚报近乎偏执般谨慎的人，如果在这种情况下，发出假信号是否是某人的恶意之举。但是经过对四人小组和其他有可能影响设备的人的分析后，发现他们并没有动机做这一切。最终，最合理的解释就是这是一双黑洞造成的。

事实上，这么早发现引力波引起了一些困惑和质疑。“我曾告诉所有人在2017年或2018年之前，我们什么都不会看到。”哥伦比亚大学巴纳德学院的天体物理学家Jannalevin这样说到。她是LIGO科研项目中的一员，当她听到这个消息的时候，她同样感到难以置信，“我说你开什么玩笑呢，别逗了。但是那个信号却近乎于完美的出现。我们中的大多数人都认为，引力波的信号应该是需要经过许多电脑的计算从大量的噪音中剥离出的那个声音，我们觉得这个过程会像科学测验一般。”

LIGO科学家们从这一引力波中得到了惊人的信息量，其中发现了产生引力波的大量黑洞，它们的轨道速度以及接触黑洞表面时的精确时刻。实际上，让我们出乎意料的一点是，黑洞要比我们预想的重许多，如果经过未来观察确认，或许能解释在许多星系中是如何形成这些神秘的超重黑洞的。同样的，LIGO团队也能够量化所谓的铃流，即三次能量爆发，当形成球状时将形成新的更大黑洞。因为铃流颇为壮观，它能够确认一部分相对论中关于黑洞的最重要预言，也就是它们在融合之后以引力波的形式辐射出瑕疵部分。

此次探测，同时也证实了爱因斯坦对这个物质宇宙另一面的理论。尽管他的理论探讨的是地心引力，可是在我们的太阳系中它是被首先证明，最微弱的引力体系。“当你爬楼梯时你会真的感受到地球引力的存在。”weiss说到，“可是，按照目前物理学研究的程度，它只是最弱小、微小，甚至微不足道的影响。”可是，当靠近一个黑洞，地心引力就变成了宇宙中最强大的力量，足以撕裂原子。正如爱因斯坦在年预测的那样，LIGO的探测结果认为他的等式与实际发现近乎完美地排列在一起。

编译自《纽约客》