来自宇宙的声音——引力波

[英]马库斯·乔恩/著 杨泓/译

《三体》中的引力波真实存在吗？

在一个遥远的星系中，两个巨大的黑洞被锁定在相互缠绕的死亡旋涡中。就在地球上最复杂的生物还只是古老的细菌时，两个黑洞完成了最后一次绕转，发生碰撞，合并在了一起。那一瞬间，相当于太阳质量3倍的黑洞骤然消失了。片刻之后，那些消失的质量化作时空振荡的海啸，以光速向外奔涌而出。

在这短暂的一瞬间，引力波的能量相当于宇宙中所有恒星辐射能量总和的50余倍。换句话说，如果黑洞合并不产生剧烈的时空振荡，而产生可见光，那么其亮度将是整个宇宙亮度的50余倍。

這次的引力波就像池塘水面上的同心涟漪那样向外扩散，沿途冲刷着100万个星系，轻摇着100亿亿颗恒星，撩拨着无数的行星、卫星、小行星和彗星。

此时，这股滚滚向前的时空涟漪早已跨越辽阔的宇宙，横扫银河系的外缘，涌入了银河系内部的猎户座旋臂，轻抚了太阳系边缘冰冷的彗星云，相继拂过火星、月球和地球大气层，最后，在历经13亿年漫长的太空传播之后，涌入了某种一直在默默等待的东西。

2015年9月14日，德国汉诺威

将近中午时分，听见“啵”的一声，坐在电脑前的马可·德拉戈知道，有电子邮件到了，但他正忙着写一篇科学论文，没有立即查看邮件内容。

2015年9月14日，星期一，本来这一天对于德拉戈来说与平日没有什么不同。他离开位于诺德施塔特的公寓，步行10分钟，来到了马克斯·普朗克引力物理研究所。通常在早上9点，德拉戈就到了一楼的办公室，坐在笔记本电脑前查看前一天晚上收到的邮件。LIGO-Virgo合作项目涉及不同国家和地区的大约1000人，不同地域的人之间有着时间差，这意味着电子邮件沟通是不间断的。

前一年，德拉戈从意大利维罗纳附近的特伦托大学来到德国。他在马克斯·普朗克引力物理研究所做博士后时，在监控一种计算程序，它用来分析美国的两个LIGO引力波探测器以及欧洲的Virgo引力波探测器的输出信号，以从中筛选出可能是引力波的触发信号。

德拉戈打开了未读邮件。在意大利比萨附近的Virgo探测器还没有投入运行，所以只有两个附件，一个来自美国路易斯安那州的利文斯顿，另一个来自华盛顿州的汉福德。

在利文斯顿的LIGO是一把长达4000米的激光“尺”，而3000千米外的汉福德也有一把同样的激光“尺”。当德拉戈点击打开两个附件，并让二者一上一下分屏显示时，他注意到在东部标准时间早上5点51分，利文斯顿的尺发生了颤动，7毫秒——还不到1秒的1%——之后，汉福德的尺也发生了完全相同的颤动。颤动显示为从左到右的蛇形线条，线条上下对称的偏移完美地反映了超级尺的伸缩。在大约1/10秒的时间里，摆动变得越来越快，越来越强烈，在达到最大值后，快速消失。

毫无疑问，这就是一掠而过的引力波的标志信号。这列引力波来自一对合并中的黑洞。但是，这个事实对于德拉戈来说太荒谬了，他一丝一毫都不相信自己看到的就是引力波信号。

尽管这个LIGO已经运行1个月了，但其仍在进行工程升级，以提高灵敏度，并且要到4天后的9月18日才开始按计划进行科学探测工作。德拉戈在想，开机时间才这么短，探测到引力波的可能性有多大呢？可能性几乎为零。

这并不是引起德拉戈警觉的唯一事情。引力波极其微弱，原因很简单，万有引力极其微弱，与把人体原子黏合在一起的电磁力相比，只有后者的1/1040。

这等于说，时空是非常坚硬的——比钢铁还硬1027倍。振动鼓面很容易，但要振动时空的鼓面却非常困难。尽管在空中挥挥手也会在时空结构中产生涟漪，但只有难以想象的最剧烈的物质运动，比如黑洞的合并，才能产生足以被21世纪的技术探测到的引力波。

然而，黑洞合并很可能是非常罕见的，这意味着产生引力波的事件很可能都发生在宇宙中离我们非常遥远的地方。引力波在宇宙不可思议的巨大体积里扩散，它将被稀释成无限微弱的涟漪。因此，所有人都预期，LIGO-Virgo接收到的第一个信号应该是混杂在背景噪声里的、只能勉强辨别的微弱信号。但是，德拉戈在电脑屏幕上看到的信号一点也不微弱。信号强大且清晰地显示在屏幕之上。所以他确信，肯定是弄错了，这一定是个假警报。

为了印证自己的想法，德拉戈来到了一位瑞典博士后同事安德鲁·伦德格林的办公室。当来自汉福德和利文斯顿的两个相同的波形出现在屏幕上时，两个人的意见一致：这是假信号。

有两种假信号的可能：第一种假信号，是为了测试仪器的反应，有时候，LIGO-Virgo的工程师会向系统中注入一个伪信号。但一定会注明预注，然而德拉戈和伦德格林并没有看到预注的标志;第二种假信号，是为了确保物理学家能够区分真实的引力波和虚假的人为信号，一个由物理学家组成的小团队负责进行的盲注。

两天后，一切都变了。从那个让科学家们时刻保持警觉的物理学家小团队传来了惊心动魄的消息：没有盲注。

那天傍晚，德拉戈离开马克斯·普朗克引力物理研究所回家时，注意到走廊墙上有一幅1米高的爱因斯坦画像。这位在近一个世纪前曾预测过引力波存在的伟人，似乎正在调皮地对他微笑着说：“我说有，果然有吧？”

引力波的确认与公布

2015年9月14日之后的数月里，德拉戈和LIGO-Virgo团队其他人的工作都繁重而艰巨。清单上列出了一长串的设备和软件，每一项都要检查，以确认没有发生故障。

当所有这些工作都完成之后，他们得出的结论是，在汉福德和利文斯顿看到的信号确实有可能是随机噪声产生的，但就概率而言，这种随机噪声需要20万年才能发生一次。信号的真实性似乎是毋庸置疑的，但还有最后一种可能性，那就是他们看到的是恶意的信号。

是否有人非法入侵了两个LIGO网站的电脑，并注入了信号呢？这种可能性很难排除。但调查小组得出的结论是，黑客要侵入电脑留下假信号，而且不留下任何痕迹，那就需要对多个复杂系统了如指掌。

此时的德拉戈和同事们正处于一种很少见的状况，他们知道了世界上其他人不曾知道的事情，历史上从没有人知道过的事情。尽管每个人都宣誓要保守秘密，但当涉及来自16个国家的大约1000人时，就变得很难。

重大发现的传闻不可避免地在科学界流传开来。9月25日，亚利桑那州立大学的劳伦斯·克劳斯在推特上写道：“有传言说在LIGO探测器上发现引力波的信号了。如果这是真的，那也太神奇了。如果再有新的进展，我将发布详细信息。”

2016年初，德拉戈于2015年9月14日首次看到的信号被命名为GW150914。

2月11日，新闻发布会在华盛顿国家新闻俱乐部举行，现场提供了关于该项目的简短介绍和视频，人们的兴奋达到了顶点。《物理评论快报》与发布会在同一时间发表了这一发现的论文。

公众的兴趣完全超出了德拉戈的想象。在爱因斯坦预测引力波100年后，引力波的发现成为了重大的国际事件。科学获得了全新的感官，就好比天生耳聋的人突然在一夜之间能听到声音了，这就是物理学家和天文学家的感受。从古到今，他们都是用眼睛和望远镜“看”宇宙的，而现在，他们第一次“听”到了宇宙。引力波就是“宇宙的声音”。

德拉戈是历史上第一个目睹引力波识别标志信号的人。在他打开那封电子邮件之前，引力波已经在太空中传播了13亿年，没有人知道它的存在。“如果那天我先去吃午饭，而不是查看邮件的话，”德拉戈说：“第一个看到信号的就应该是别人，而不是我了。”

（摘自江苏凤凰科学技术出版社《逼近宇宙的秘密》    作者：[英]马库斯·乔恩    译者：杨泓）