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愛因斯坦100年前說的引力波真的存在，是什么人發(fā)現(xiàn)了它？

周四，一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布，他們探聽并記錄下了十億光年以外兩個(gè)黑洞碰撞發(fā)出的聲音，這段稍縱即逝的短促聲波應(yīng)驗(yàn)了愛因斯坦廣義相對論的最后一項(xiàng)預(yù)言。

一個(gè)世紀(jì)以前，愛因斯坦預(yù)言了一種時(shí)空漣漪——引力波的存在。物理學(xué)家表示，這段微弱的上升音是這種引力波存在的第一個(gè)直接證據(jù)。（點(diǎn)擊播放，需要VPN）它證實(shí)了愛因斯坦的宇宙觀：時(shí)空是相互交織、是動(dòng)態(tài)的，可以伸展、收縮、震動(dòng)。而這很好地證實(shí)了黑洞的性質(zhì)。黑洞是一個(gè)深不見底的引力坑，甚至連光都無法從中逃脫，這是愛因斯坦的理論中最不祥（也最不受歡迎）的部分。

總而言之，這意味著自從愛因斯坦在論文中預(yù)言它的存在以來，科學(xué)家們經(jīng)過了一個(gè)世紀(jì)的革新、檢驗(yàn)、質(zhì)疑和辛勤工作，終于進(jìn)入到了物理現(xiàn)實(shí)的最深處。在這里，愛因斯坦宇宙觀中最古怪、最瘋狂的部分昭然可見。

科學(xué)家探測到引力波

科學(xué)家宣布，他們終于探測到一個(gè)世紀(jì)前阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)言的時(shí)空漣漪——引力波。

9 月 14 日，位于華盛頓州和路易斯安那州的被稱為 LIGO 的 L 形天線在引力波的作用下發(fā)生震動(dòng)，其中傳送的能量比宇宙所有恒星總共輸出的能量大 50 倍。

這段簡單的短促聲波在上升到中央 C 音后戛然而止。如果能在今后的實(shí)驗(yàn)中復(fù)制，它似乎注定會(huì)在科學(xué)界偉大的聲音中占有一席之地，與亞歷山大·格雷厄姆·貝爾的“沃森先生——到這里來”以及人造衛(wèi)星第一次從軌道上發(fā)回的嗶嗶聲一道被載入史冊。

“我們大家都欣喜若狂，”LIGO 科學(xué)合作（LIGO Scientific Collaboration）發(fā)言人、路易斯安那州立大學(xué)的加布里埃拉·岡薩雷斯（Gabriela González）說道?！拔蚁霅垡蛩固箷?huì)非常高興的?！盠IGO 的全稱為激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）。

LIGO 團(tuán)隊(duì)成員都是來自世界各地的科學(xué)家。周四，他們和一個(gè)名為 Virgo 合作（Virgo Collaboration）的歐洲團(tuán)隊(duì)，以及另外 1000 多名作者在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上共同發(fā)布了一份報(bào)告。

“我想這將是很長一段時(shí)間內(nèi)物理學(xué)上的重大突破之一，”LIGO的科學(xué)家之一、哥倫比亞大學(xué)教授索博爾奇·馬爾卡（Szabolcs Marka）說。

談到讓天文學(xué)家能夠獲得越來越多的電磁頻譜，并能越來越深入地窺視空間和時(shí)間的各種望遠(yuǎn)鏡設(shè)備時(shí)，他說：“天文學(xué)上的其他一切都像是眼睛。終于，天文學(xué)長出了耳朵。我們以前從來沒有過耳朵?！?/p>

期待已久的勝利

這一發(fā)現(xiàn)是三位物理學(xué)家的偉大勝利——加州理工學(xué)院的基普·索恩（Kip Thorne）、麻省理工學(xué)院的雷納·維斯（Rainer Weiss）和原在加州理工任職、現(xiàn)退休居住在蘇格蘭的羅納德·德雷弗（Ronald Drever）。他們夢想著要測量出愛因斯坦最不可言喻的概念，并將自己的職業(yè)生涯都賭在了上面。

“直到現(xiàn)在，我們科學(xué)家看到的都只是平靜時(shí)期的扭曲時(shí)空，”索恩博士在一封電子郵件中說。“這就像我們只看到海洋風(fēng)平浪靜時(shí)的樣子，卻從來沒見過風(fēng)暴來臨時(shí)驚濤駭浪的場面?！?br>

LIGO 觀測到的黑洞制造了一場風(fēng)暴，“在這場風(fēng)暴中，時(shí)間流先是加速，然后減速，然后又加速，”他說?！斑@是一場導(dǎo)致空間來回彎曲的風(fēng)暴。”

這段短暫的聲波同時(shí)也是為美國國家科學(xué)基金會(huì)做出了有利的辯護(hù)。為了建立連接自然的一條新熱線，基金會(huì)奮斗了 40 余年、斥資約 11 億美元，面對引力波來源不充足、聲音不夠大、不值得為此大手筆投入的批評，依然堅(jiān)持不懈。

“幾十年過去了，我們經(jīng)歷了大量不同的技術(shù)革新，”基金會(huì)負(fù)責(zé)人弗朗斯·科爾多瓦在接受采訪時(shí)說，回想最初幾年，基金會(huì)顧問委員會(huì)“對這一項(xiàng)目真的是很不解”。

雖然 LIGO 的成功引來科學(xué)界的一陣歡呼，仍有一些必要的告誡認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)尚需確認(rèn)或復(fù)制。

“我當(dāng)時(shí)嚇壞了，”哥倫比亞大學(xué)巴納德學(xué)院的理論家珍娜·萊文（Janna Levin）說道。盡管不是 LIGO 成員，但因撰寫據(jù)實(shí)記述這一項(xiàng)目的著作——《黑洞藍(lán)調(diào)》（Black Hole Blues），她獲準(zhǔn)提前目睹有關(guān)結(jié)果。該書預(yù)計(jì)今年春天出版。

《物理評論快報(bào)》編輯羅伯特·加里斯托（Robert Garisto）說，讀到 LIGO 的報(bào)告時(shí)，他起了一身雞皮疙瘩。

難以捕捉的干擾

1915 年，愛因斯坦公布了他的理論，改寫了牛頓時(shí)期以來盛行 200 余年的時(shí)空規(guī)則。人們曾認(rèn)為宇宙有一個(gè)靜態(tài)的固定框架，然而愛因斯坦說，物質(zhì)和能量會(huì)扭曲宇宙的幾何結(jié)構(gòu)，猶如一個(gè)胖子躺在床上導(dǎo)致床墊凹陷一樣——這就產(chǎn)生了我們所說的引力。

宇宙中的干擾可能導(dǎo)致時(shí)空伸展、崩塌甚至震動(dòng)，就像床上的人翻身時(shí)床墊出現(xiàn)晃動(dòng)一樣，由此產(chǎn)生了引力的漣漪：引力波。

愛因斯坦對這些引力波并不十分確定。1916 年，他告訴黑洞發(fā)現(xiàn)者卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）引力波不存在，后來又說它們存在。1936 年，他和助手納森·羅森（Nathan Rosen）打算發(fā)表一篇論文，揭穿這一錯(cuò)誤想法，但隨后又再次反口。

根據(jù)物理學(xué)家已經(jīng)確定的方程，隨著引力波向外擴(kuò)展，空間將在一個(gè)方向上壓縮，同時(shí)在另一個(gè)方向上伸展。

1969 年，馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）聲稱，他利用一個(gè)六英尺（約 1.8 米）長的鋁筒作為天線探測到引力波的存在。他表示，一定頻率的引力波會(huì)讓鋁筒像音叉一樣鳴響。

其他人沒能復(fù)制他的結(jié)果，但很少有人懷疑引力波的真實(shí)性。韋伯博士的實(shí)驗(yàn)啟發(fā)了一代科學(xué)家，他們愈發(fā)努力地尋找宇宙中愛因斯坦的痕跡。

1978 年，當(dāng)時(shí)在馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的射電天文學(xué)家小約瑟夫·H·泰勒（Joseph H. Taylor Jr.）和羅素·A·哈爾斯（Russell A. Hulse）發(fā)現(xiàn)了一對互相繞行的中子星（恒星死亡后的超密殘余）。其中一顆脈沖星能發(fā)出周期性的電磁射線。通過對脈沖記時(shí)，天文學(xué)家斷定兩顆中子星的能量正在喪失，兩星逐漸接近，其速率恰恰可以預(yù)期它們正在放射引力波。

1993 年，哈爾斯博士和泰勒博士獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

另一個(gè)名為 Bicep 的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)在 2014 年登上新聞?lì)^條，聲稱他們利用南極的望遠(yuǎn)鏡探測到了來自宇宙大爆炸之初的引力波。但后來他們承認(rèn)，其觀測結(jié)果很可能受到了星際星塵的污染。

一個(gè)唐吉訶德式的項(xiàng)目

加州理工學(xué)院的索恩博士和麻省理工學(xué)院的維斯博士最初相識是在 1975 年，維斯博士說，當(dāng)時(shí)他們在華盛頓參加一個(gè)會(huì)議，兩人不得不共用一個(gè)酒店房間。索恩博士那時(shí)已經(jīng)是一位著名的黑洞理論家，但他正在尋找新的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域去征服。他們一夜未眠，討論如何檢驗(yàn)廣義相對論、如何才能最有效地找到引力波。

后來，索恩博士將來自格拉斯哥大學(xué)的天才實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家德雷弗博士招致麾下，啟動(dòng)了加州理工學(xué)院的引力波項(xiàng)目。德雷弗博士想用光（精確定位的鏡子之間來回反射的激光束）來探測過往波動(dòng)的擠壓和伸展現(xiàn)象。

維斯博士試圖在麻省理工學(xué)院發(fā)起一個(gè)類似的項(xiàng)目，也使用激光探測方法，但在當(dāng)時(shí)，黑洞這一主題在麻省理工已不再時(shí)興。（他說現(xiàn)在好多了。）

兩項(xiàng)工作都沒有技術(shù)優(yōu)勢。根據(jù)研究人員的計(jì)算，來自外太空的一個(gè)典型的引力波對一對反射鏡之間空間距離的改變幾乎察覺不到：只有十億兆分之一。維斯博士回憶說，當(dāng)他向國家科學(xué)基金會(huì)的潛在資助者解釋這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，“他們都認(rèn)為我們瘋了”。

1984 年，國家科學(xué)基金會(huì)下令兩個(gè)團(tuán)隊(duì)合并，這讓德雷弗博士煩惱不已，卻令維斯博士松了口氣。索恩博士發(fā)現(xiàn)自己扮演著雙重角色，他既是引力波領(lǐng)域的傳道者，又是調(diào)解實(shí)驗(yàn)分歧的中間人。

研究的進(jìn)展相當(dāng)緩慢。 1987 年，這三位物理學(xué)家被撤換，一位主管頂替了他們的職位——這是研究得以繼續(xù)進(jìn)行的代價(jià)之一。

第一代實(shí)驗(yàn)設(shè)備——初代 LIGO 于 2000 年投入使用，并運(yùn)行了十年時(shí)間。這一時(shí)期的運(yùn)行主要是為了證明 LIGO 可以勝任研究所需的工作量。 LIGO 系統(tǒng)共有兩個(gè)引力波探測器，一個(gè)位于華盛頓州漢福德（Hanford, Wash.），另一個(gè)位于路易斯安那州利文斯頓（Livingston, La.）。它們都曾遭受過不同程度的破壞，前者的一條干涉臂被卡車撞過，后者的一處接收天線則遭到過獵人的槍擊，不過這兩次事故并沒有損壞 LIGO 。

過去五年里，整個(gè) LIGO 系統(tǒng)進(jìn)行了重建，設(shè)備的靈敏度大大增加，探聽到某些東西對于研究團(tuán)隊(duì)而言不再是一種不切實(shí)際的幻想了。

LIGO 的接收天線是 L 型的，垂直交叉的干涉臂長 2.5 英里（約 4 千米）。每條干涉臂外部都包裹著鋼鐵和混凝土，內(nèi)部則是幾英尺寬的真空室，里面有著體積 250 萬加侖（約 9464 立方米）的真空區(qū)。干涉臂末端安有玻璃絲懸掛的鏡子，這些鏡子隔離周圍環(huán)境碰撞和聲音的效果遠(yuǎn)超任何勞斯萊斯轎車。

在這樣的精心設(shè)計(jì)下，如今升級版 LIGO 中的激光能夠在引力波掃過時(shí)，根據(jù)干涉臂的長度探測到直徑僅有質(zhì)子直徑萬分之一的微小粒子——這種亞原子微粒太小了，甚至連功能最強(qiáng)大的顯微鏡都無法觀察到它們。

雖然 LIGO 的靈敏度已經(jīng)提升到了極致，但是仍然只有最大型、最猛烈的宇宙振動(dòng)才能讓探測器發(fā)出聲音。 LIGO 是為了發(fā)現(xiàn)中子星的碰撞而設(shè)計(jì)的，而中子星碰撞會(huì)產(chǎn)生猛烈的閃光——即所謂的“ γ 射線爆發(fā)”。

兩顆中子星彼此靠近時(shí)會(huì)旋轉(zhuǎn)得越來越快，轉(zhuǎn)速高達(dá)一秒鐘數(shù)百轉(zhuǎn)，它們會(huì)使時(shí)空幾何體發(fā)生振動(dòng)，發(fā)出一種能夠在 LIGO 真空管“最佳聽音位置”聽得見的上升音調(diào)。

黑洞是恒星滅亡后形成的一種更加極端的天體。人們認(rèn)為它也能做到同樣的事情。但是沒有人知道黑洞是否會(huì)成對出現(xiàn)，也沒有人知道它們產(chǎn)生碰撞的可能性有多大。如果黑洞確實(shí)會(huì)成對出現(xiàn)并發(fā)生碰撞，那么這一撞擊形成的波動(dòng)肯定會(huì)比中子星碰撞形成的波動(dòng)響度更大、音調(diào)更低。

長時(shí)間以來，索恩博士和其他科學(xué)家一直認(rèn)為，這些就是 LIGO 會(huì)在首次有所發(fā)現(xiàn)時(shí)探測到的波動(dòng)。但是就連索恩博士也沒有想到， LIGO 這么快就探測到了引力波。

“它在沖我們發(fā)出波動(dòng)，跟我們說你好”

9 月 14 日凌晨四點(diǎn)， LIGO 系統(tǒng)剛剛完成校準(zhǔn)，正在進(jìn)行所謂的工程性運(yùn)轉(zhuǎn)。這時(shí)，利文斯頓觀測站出現(xiàn)了一個(gè)響亮的信號?！皵?shù)據(jù)在尖叫，接著傳來了‘砰’的一聲。”戴維·雷茨（David Reitze）回憶道。他是加州理工學(xué)院的教授，也是建造運(yùn)行引力波探測器的 LIGO 實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人。

七毫秒后，這一信號出現(xiàn)在了漢福德觀測站。 LIGO 科學(xué)家隨后斷定，這類信號同時(shí)因?yàn)榍珊铣霈F(xiàn)的可能性幾乎為零。當(dāng)時(shí)美國人都還在沉睡之中，計(jì)算機(jī)記錄下了這一事件，而歐洲的科學(xué)家們卻注意到了此事。

第二天，雷茨博士搭飛機(jī)前往路易斯安那州。那天早上，本來在緬因州度假的他在用電腦簽到時(shí)發(fā)現(xiàn)了此事。“它在沖我們發(fā)出波動(dòng)，跟我們說你好，”他說，“太棒了。信號很強(qiáng)烈，我簡直無法相信?！?/p>

物理學(xué)家們知道，對于中子星而言，這一聲波的頻率過低了。物理學(xué)家們詳細(xì)分析研究了聲波形成的原因，發(fā)現(xiàn)了宇宙一個(gè)偏遠(yuǎn)角落發(fā)生的龐大天體活動(dòng)：一對黑洞跳了最后一曲華爾茲（隨后撞到了一起），形成了這一聲波——而且這兩個(gè)黑洞比天體物理學(xué)家們此前預(yù)計(jì)的更大。

其中一個(gè)黑洞質(zhì)量是太陽的 36 倍，另一個(gè)質(zhì)量則是太陽的 29 倍。在彼此靠近的最后階段，它們的速度達(dá)到了光速的一半，以每秒 250 圈的轉(zhuǎn)速彼此繞行。

接著，聲音停止了，兩個(gè)黑洞合并成了一個(gè)黑洞，一個(gè)質(zhì)量等同于 62 個(gè)太陽的宇宙陷阱出現(xiàn)了。全過程僅花費(fèi)地球時(shí)間五分之一秒。

據(jù)維斯博士所言，用指甲在鋼琴上從音調(diào)最低的琴鍵劃至中央 C 鍵，就能再現(xiàn)這個(gè)短暫的聲波。

這場合并消耗了相當(dāng)于三倍太陽質(zhì)量的能量，這些能量在一場看不見也幾乎感受不到的天啟中蒸發(fā)變成了引力波。如果把這一能量轉(zhuǎn)換成可見光，那么它的亮度將會(huì)等同于 10²¹個(gè)太陽所發(fā)出的光亮。

不過，這個(gè)能量讓 LIGO 的鏡子只是做了一個(gè)質(zhì)子直徑的千分之四距離的位移而已。

雷茲博士表示，這一信號精確符合了計(jì)算機(jī)根據(jù)廣義相對論模擬計(jì)算后得出的對于黑洞的預(yù)測。

研究團(tuán)隊(duì)表示，九月這一事件發(fā)生沒多久后， LIGO 又記錄到了另一個(gè)較為微弱的信號，這個(gè)信號可能也是黑洞發(fā)出的。據(jù)維斯博士所言，一月份結(jié)束的第一輪 LIGO 觀察運(yùn)行期間， LIGO 至少探測到了四個(gè)信號。第二輪運(yùn)行將于今年夏天開始。今年秋天，位于意大利的歐洲引力天文臺（European Gravitational Observatory）運(yùn)營的另一個(gè)探測器“升級版 Virgo ”（Advanced Virgo）探測器也將啟動(dòng)運(yùn)行。未來日本和印度也將有望有探測器投入運(yùn)行。

展望未來

如今，天文學(xué)家們知道了，宇宙中確實(shí)存在成對的黑洞。眼下他們正急切地想要知道，這些黑洞怎么會(huì)變得如此巨大。據(jù)西北大學(xué)（Northwestern University）的維琪·卡洛格拉（Vicky Kalogera）所言，目前主要有兩種理論：一種理論認(rèn)為，早先在宇宙中，有些恒星缺少比氦元素更重的元素。在變得十分巨大后，這些恒星沒有像其他恒星一樣先發(fā)生炫目的超新星爆炸、再形成黑洞，而是直接塌縮成了黑洞，沒有經(jīng)歷超新星爆炸，所以才形成了巨型黑洞。另一種理論則認(rèn)為，有黑洞沉入了恒星高度密集的球狀星團(tuán)中心，經(jīng)過吞噬形成了巨型黑洞。

芝加哥大學(xué)（University of Chicago）宇宙學(xué)家邁克爾· S ·特納（Michael S. Turner）說，天文學(xué)家曾一度把搜尋引力波看成是一場實(shí)驗(yàn)，而不是一種觀測行為。“ LIGO 已經(jīng)證明了它名字里代表觀測的 ‘O’ 存在的合理性，”他說道，“也就是說，它將會(huì)是一個(gè)天文觀測臺，每年觀測到數(shù)十起天文事件?！?/p>

傾聽引力波的聲音

100 年前，愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。如今，我們終于第一次直接探測到了引力波。激光干涉引力波天文臺 LIGO 聽見了黑洞碰撞發(fā)出的聲響。

兩個(gè)黑洞

大約 12 億光年以外的遙遠(yuǎn)星系中，兩個(gè)黑洞繞著彼此打轉(zhuǎn)。較大的黑洞質(zhì)量為太陽的 36 倍，較小的黑洞質(zhì)量為太陽的 29 倍。

碰撞

強(qiáng)大的引力加快了黑洞的轉(zhuǎn)速，它們的速度達(dá)到了光速的一半。引力拉近了它們彼此的距離，造成了時(shí)間和空間的扭曲。頃刻間，這兩個(gè)黑洞碰撞在一起，融合成了一個(gè)不規(guī)則的形狀。

下環(huán)

這團(tuán)不穩(wěn)定的物質(zhì)漸漸變成了球狀，這個(gè)過程叫做“下環(huán)”（ring down）。相當(dāng)于三倍太陽質(zhì)量的能量蒸發(fā)產(chǎn)生了大量的引力波，扭曲了時(shí)間和空間，最終形成了一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于 62 個(gè)太陽的黑洞。

引力波

看不見的波動(dòng)以光速向外漣漪擴(kuò)散開來。擴(kuò)散得越遠(yuǎn)，波動(dòng)就越弱。等最終到達(dá)地球的時(shí)候，這種引力波造成的時(shí)空扭曲已經(jīng)變得非常微小，無法超過我們星球的熱量、噪音以及其他振動(dòng)而被我們測量到了。

探測發(fā)現(xiàn)

LIGO 是由兩個(gè)相距 1900 英里（約 3058 千米）的 L 型觀測站組成的。每一根干涉臂末端的超高純鏡子都不會(huì)受到（地球上）振動(dòng)的干擾。傳到此處的引力波會(huì)推拉干涉臂，使隧道的長度發(fā)生不超過質(zhì)子直徑的改變。

短促的聲波

9 月 14 日， LIGO 探測器檢測到了它們第一次由引力波引起的振動(dòng)。轉(zhuǎn)換成聲波后，這一振動(dòng)就變成了短促的聲波，向人們傳遞了十億年前兩個(gè)黑洞碰撞發(fā)出的回聲。

圖片版權(quán)： LIGO 、加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、Simulating eXtreme Spacetimes 項(xiàng)目；制圖：Jonathan Corum

特納博士還說：“發(fā)出引力波天空中最響亮信號的是宇宙中最奇異的東西：黑洞、中子星和早期宇宙?！?/p>

宇宙黑暗面的前景似乎一片光明。

“肯定還有更加重大的驚喜等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，當(dāng)一扇新的窗口打開的時(shí)候，情況總是如此。”現(xiàn)在已經(jīng)退休了的前 LIGO 研究人員索恩博士說道。

德雷弗博士如今患上了癡呆癥，住在愛丁堡附近的一間療養(yǎng)院里，他無法享受到勝利的喜悅了?！斑^去，羅恩創(chuàng)造性的天賦才能對 LIGO 未來的成功而言至關(guān)重要，那也是我們當(dāng)時(shí)把他挖到加州理工學(xué)院的原因所在?！彼鞫鞑┦吭谝环忄]件中寫道。

維斯博士如今已經(jīng)退休了。麻省理工學(xué)院授予了他名譽(yù)教授的頭銜。維斯博士說，他的生活現(xiàn)在更像是一名大學(xué)畢業(yè)生——修修補(bǔ)補(bǔ)，讓設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)起效。此前，他的這一癖好差點(diǎn)就毀了 LIGO 的探索發(fā)現(xiàn)。維斯博士回憶說，黑洞聲波傳來的三天前，他在利文斯頓觀測站驚駭?shù)匕l(fā)現(xiàn)天線讀數(shù)受到了無線電的干擾。

維斯博士告訴他的同事，那得好好修一修。他懇請同事們推遲工程性運(yùn)行。但是他的同事們反對說，一切都準(zhǔn)備就緒了，要想停止項(xiàng)目為時(shí)已晚。他們可真走運(yùn)。

維斯博士說：“我們差一點(diǎn)就錯(cuò)過了這場重大的盛事。”

翻譯：熊貓譯社 于義 錢功毅

題圖版權(quán)：