聆听宇宙的心跳等四则

聆听宇宙的心跳

2016年2月11日，引力波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。

“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、《以思想的速度旅行：爱因斯坦和对引力波的探索》一书的作者丹尼尔?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。”

引力波实验

捕捉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發射激光。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。

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。

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。

引力波探测

历时5年、耗资2亿美金的LIGO的探测器得到全面升级后，灵敏度大为提高。当最初的引力波信号出现时，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。

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。

引力波首次被探测到是在2015年9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。

时空中的风暴

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来。”

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。