首遇引力波

阿德里安·邱+晨飞

很久以前，在宇宙深处，两颗巨大的恒星坍缩至无穷小的一点，它们产生的超强引力场，也就是黑洞，在引力作用下缓慢地相互靠近。这两个恒星的幽灵在盘旋中越靠越近，直到大约13亿年前，它们以1/2光速相互缠绕，最终合并到一起。这次合并向宇宙中送出了一阵战栗，而这种在交织的时空中产生的涟漪就是引力波。几个月前它们到达了地球，物理学家第一次有机会检测到引力波，填补了40余载的研究空白，打开了通往宇宙的新视野。

第一个发现引力波的人

引力波的发现，标志着激光干涉仪引力波天文台（LIGO）1000多名物理学家的工作获得了成功。LIGO是两台巨型观测设备，分别位于华盛顿的汉福德和路易斯安那的利文斯顿。在得到确认之前，发现引力波的说法已经流传了好几个月。2016年2月11日，在华盛顿特区召开的新闻发布会上，LIGO团队正式发布了这一消息。“我们做到了！”LIGO在帕萨迪纳加州理工学院的常务理事、物理学家大卫·瑞哲说：“外界围绕这件事的各种传言大多是正确的。”

100年前，阿尔伯特·爱因斯坦预言了引力波的存在，但是想要直接检测到引力波需要令人难以置信的技术，并且需要搜寻工作的历史积累。LIGO的研究人员检测到的引力波将空间拉伸了10-21，造成了地球十万分之一的膨胀和收缩，大概就是一个原子核的宽度。这个观测结果以前所未有的精度验证了爱因斯坦的广义相对论，拿出了黑洞存在的绝对证据。马里兰州巴尔的摩约翰·霍普金斯大学的理论物理学家马克·卡米昂考斯基说：“这项发现肯定会得诺贝尔奖的。”

LIGO用于观测这种微观尺度上空间拉伸的设备，相当于一把超精密的尺子：两个呈L形的干涉仪，臂长4000米，每条臂末端的镜子构成一个长的共振腔，具有精确波长的激光就在这两个镜子之间来回弹跳，就像在管风琴里回响的特定音高一样。两束激光会在两臂相交之处重叠。如果这两束激光在两条臂上行进的距离不同，它们的波形步调就会不一致，产生相互干扰。这会造成一部分光从一个被称为暗端口的地方溢出，这部分光与波的起伏是同步的。

根据干扰现象，研究人员可以比较出两臂长度在万分之一个质子宽度上的细微差别。对于检测在经过时对两条臂产生不同长度拉伸作用的引力波，这种灵敏度是足够的。然而，为了观测到这样微小的变化，科学家必须减弱背景里的噪音，比如隆隆作响的地震波、轻微敲击的交通音以及远处海岸线上海浪的拍打声。

2015年9月14日这一天，格林尼治时间9时50分45秒，LIGO的自动操作系统刚好检测到了这样一个信号。振荡以每秒3 5赫兹的频率产生，一直加快到250赫兹，并在产生后0.25秒消失。频率的增高与两个巨大天体旋转着碰撞在一起所产生的模式相符合。位于路易斯安那和华盛顿两个地方的检测器接收到信号的时间有0.007秒的延迟，恰好就是引力波以光速扫过两个检测器之间距离的时间。

在一篇文章中，LIGO的研究人员说，该信号在统计显著性上超过了5个标准差，这是物理学家用来宣布新发现时常用的标准。LIGO科学联合会发言人、路易斯安那州立大学巴吞鲁日校区的物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯说：“信号太强了，在原始数据中都能看到它。如果对数据进行过滤处理，这个信号就能看得很明显。”

跟计算机模拟的结果进行比较后，科学家认为这个引力波信号来自质量分别为太阳的29倍和36倍的两个黑洞，它们旋转着靠近，然后合并。德国汉诺威马克思·普朗克引力物理学研究所的LIGO成员布鲁斯·艾伦表示，只有纯粹由引力能构成并通过爱因斯坦的质能方程获得质量的黑洞才能把如此大的质量装进一个这么小的空间里。艾伦说：“之前大家可以从原则上争辩黑洞是否存在，现在就用不着了。”

黑洞的相互碰撞产生了肉眼观测不到但能量相当惊人的爆炸。模型显示，最终合并在一起的黑洞质量达到了太阳质量的62倍—比最初的总质量少了3个太阳的质量。这些丢失的质量以引力辐射的形式散失了。艾伦说：“那1/10秒的碰撞时间释放出的亮光，比所有星系中所有的恒星都要耀眼，只不过都是引力波而已。”

加州理工学院的引力波理论物理学家基普·索恩在LIGO的发展中发挥了重要的带头作用。他认为，其他被称为伽马射线爆发的恒星爆炸，其光亮同样可以在一瞬间使恒星相形见绌，但是双黑洞合并时的爆炸创造了一个震撼人心的纪录。索恩说：“这是除宇宙大爆炸之外目前人类检测到的最强大的爆炸。”

在检测到引力波信号之后，LIGO的物理学家在5个月的时间里竭力防止消息泄露。一般来说，研究团队中的绝大多数工作人员都不知道信号是不是真的。LIGO会定期在数据读取中加入被称为“盲注入”的假信号刺激，以测试仪器，并让研究人员保持警觉。但是在2015年9月14日这一天，物理学家刚刚完成了长达5年、耗资2.05亿美元的仪器升级，盲注入系统还没有开始运行。

不过，LIGO的物理学家仍然需要排除其他各种可能性，包括这次读取到的信号是否是恶意的骗局。瑞哲说：“我们花了大约一个月的时间来检查是不是有人故意制造了一个假信号。这次检查是一副重担，这是首次检测到引力波，所以必须得到确证，容不得半点差池。”

证明了引力波的存在或许并不是LIGO最重要的馈赠，因为之前就已经有很多间接证据可以证实这一点。真正让物理学家感到兴奋的是检测到引力波能够带来的科学前景。约翰· 霍普金斯大学的理论物理学家卡米昂考斯基说：“这一发现为观测数量庞大的天体残留物打开了一扇新的窗户。我们知道宇宙里有很多这样的物质，但目前我们看到的只是很小的一部分。”

卡米昂考斯基还说，这次观测同样为检验广义相对论奠定了前所未有的基础。截至目前，物理学家只在作用力相对较弱的情况下对引力进行了研究。有了这个发现，他们现在可以研究一些极端情况下的引力作用，即强引力这一目前只有理论物理学家才涉足过的领域。在这一领域中，引力场中的能量为天体贡献了绝大部分质量。

麻省理工学院的雷纳·韦斯说，双黑洞的合并是广义相对论通过的第一个类似测验。雷纳·韦斯是LIGO的发起人之一，他说：“用爱因斯坦的理论推算出的结论，跟观测到的信号一模一样。在我看来，这是一个奇迹。”

雷纳·韦斯在纽约科学展览会上

检测到引力波，标志着自1972年韦斯在一篇文章中概括性地描述了LIGO的设计以来，几十年的探索的高潮。1979年，美国国家科学基金会给麻省理工学院和加州理工学院的研发工作提供了资助，1994年LIGO开始建设。这些价值2.72亿美元的设备从2001年开始接收数据，然而直到完成了这次升级，物理学家才捕获到信号。

如果LIGO的发现值得被授予诺贝尔奖，应该由谁来领取呢？很多人认为韦斯是不二之选，但他本人并不认同。他说：“我不愿意去想这个问题。如果LIGO获得了诺贝尔奖，不应该是因为检测到了引力波，因为赫尔斯和泰勒早在1974年就做到了这一点。”在索恩看来，真正应该得奖的是“所有实验人员，从雷和罗恩开始”。

与此同时，其他的发现可能很快就会到来：LIGO的研究人员还在分析检测器在升级后第一次观测运行中获取的数据;LIGO计划于2016年7月重新开始收集数据;意大利的VIRGO 研究团队也有望在2016年晚些时候启动重建的VIRGO检测器。物理学家急切地等待着下一个引力波。