100年前，愛因斯坦的廣義相對論預言了兩個黑洞合并時會引起時空波動，即引力波。半個世紀前，物理學家們開始搜尋引力波。直到最近，引力波才終于被探測到。
2016年2月11日，這個歷史性的發現由LIGO公之于世。天體物理學家聲稱引力波的發現打開了一扇通向宇宙的新窗。在這扇窗前，我們得以領略那些光學望遠鏡看不到卻能感知甚至聽到的來自宇宙另一端的遠古悸動。
“我們探測到了引力波。我們成功了！”LIGO千人小組項目主管大衛?萊茲在華盛頓舉辦的美國國家科學基金新聞發布會上宣布道。
引力波或許是愛因斯坦廣義相對論中最讓人捉摸不透的預言。為此，愛因斯坦與其同時代的人爭論了幾十年。根據愛因斯坦的理論，空間與時間恰如一塊有彈性的布料，會在重物的擠壓下變形，而順著這塊布料的曲線便可以感覺到重力。但是這塊“時空”布料會像被擊打的鼓面一樣產生細微的波動嗎？愛因斯坦本人都不確定自己的方程式意味著什么。連他最堅定的擁躉們也不免懷疑引力波太過微弱以至無法被觀察到。引力波誕生于宇宙中的某些劇變，以此為中心向外層層擴張開去，并在此過程中對時空進行交替性拉伸和擠壓。然而當引力波穿過重重時空被地球接收到時，這種拉伸和擠壓早已衰減成每英里不足一個原子核大的程度。
捕捉這些引力波需要巨大的耐心和精巧的手法。LIGO在華盛頓的漢福德市和路易斯安那州州的利文斯頓市分別設有長度為4千米的L形探測器。LIGO沿著這些4千米的干涉臂反復來回發射激光。若碰巧有引力波經過，便會引起時空變形，導致一干涉臂長一干涉臂短的現象。運用世界上最先進的儀器，科學家測量到干涉臂的長度產生了小于千分之一質子直徑的變化。這樣的精度在一個世紀前是不可想象的，而1968年，當麻省理工學院的萊納?魏斯構想出這一實驗方法時還被大多數人視為異想天開。
LIGO探測器
“這一奇跡的偉大在于他們最終完成了這項任務，他們真的捉住了這些搗蛋鬼！”阿肯色大學理論物理學家、2007出版的《以思想的速度旅行：愛因斯坦和對引力波的探索》一書作者丹尼爾?肯納菲克說道。引力波的發現開拓出引力波天文學這一全新領域，將大大加深人類對黑洞的形成、數量及作用的認知。當兩個黑洞對撞時會發出短促的“鳴音”，即逐漸升高音調和振幅直至戛然而止的時空波動。LIGO探測到的這種聲響縱然十分微弱，無法用裸耳聽到，卻仍屬于人類聽覺范圍內。用手指滑過鋼琴琴鍵就可以重現引力波的鳴音。“從鋼琴上最低的音開始，到中央C，”魏斯說，“這就是我們聽到的。”
迄今為止探測到的信號數量及強度顯示，黑洞的數量遠多于預期。這讓物理學家們驚嘆不已。“我們很幸運，不過我一直就覺得我們會有好運氣的，”與魏斯及羅納德?德雷弗共同創立LIGO的加州理工學院理論物理學家基普?索恩說道。“這通常發生在通往宇宙的一扇新窗敞開之時。”
引力波可能會重塑人類的宇宙觀，甚至讓人類發現之前難以想象的宇宙事件。
“這就像人類第一次將望遠鏡對準天空，”哥倫比亞大學巴納德學院理論天體物理學家珍娜?萊文說道。“人們意識到遠處有可看之物，卻不曾預見到宇宙中存在的那些不可思議的偉大可能性。”同樣地，萊文認為，引力波的發現可能揭露出“宇宙充滿了暗物質，只是我們用望遠鏡看不到而已。”
引力波首次被探測到是在九月一個周一的早晨。信號是如此響亮和清晰，以至于魏斯覺得，“這鬼東西不可能是引力波。”
9月14日清晨，數據采集正式啟動前兩天，第一道引力波掃過LIGO的探測器——開始在利文斯頓，7毫秒之后在漢福德。
第一個引力波信號
歷時5年、耗資2億美金，LIGO的探測器得到了全面升級，靈敏度較之前大為提高。用魏斯的話說，“從2002年到2010年，第一代LIGO交了張大白卷。”
當最初的引力波信號出現時，歐洲的科學家們欣喜若狂地給他們的美國同事發去了電子郵件。這一爆炸性消息自此甚囂塵上。據魏斯回憶，當時每個人都持懷疑態度——尤其當他們看到信號時。引力波的鳴音完美得宛如教科書里的范例，致使很多人都疑心數據被人動過手腳。
歷史上，從20世紀60年代馬里蘭大學的約瑟夫?韋伯開始，引力波被誤報的烏龍事件曾發生過數次。最近的一次發生在2014年一項名為BICEP2的實驗中。實驗人員宣稱他們探測到了宇宙大爆炸中殘存下來的遠古引力波信號。這一新聞被傳得沸沸揚揚，直到該信號被其他學者證明其實來自于太空塵埃。
當亞利桑那州立大學宇宙學家勞倫斯?克勞斯聽說LIGO的探測結果時，“我第一反應還以為是盲注。”很多研究人員都不知道，在初代LIGO時期，數據流中會秘密注入一些模擬信號用來測試響應。當克勞斯得到內部消息說這次的信號不是盲注，他再也按捺不住激動之情，于9月25日在推特上向自己的20萬粉絲公布：“有消息稱LIGO探測器探測到了引力波。要是真的就太驚人了。如若屬實我會再發布詳細內容。”隨后，1月11日，他寫道：“早先關于LIGO的傳言已得到獨立消息源證實。敬請關注！引力波或許真的被發現了！”
在信號的真實性確保萬無一失之前，LIGO團隊的官方姿態一直保持低調。索恩甚至對自己的太太都緘口不言。“我私下慶祝來著，”他說。團隊的第一步行動是回頭抽絲剝繭地分析信號是如何透過數以萬計的不同測量頻道擴散的，并且試圖找出信號出現的同時有無任何異樣。一切正常。團隊也排除了黑客入侵系統的可能性。“連執行盲注的團隊也無法做到不留一絲痕跡，”索恩說道。“一切完全是天衣無縫。”
LIGO探測器及工作團隊
接下來的數周中，另一個稍弱的鳴音出現了。
隨著更多的信號涌現，科學家對最初的兩個信號進行了分析，于1月將論文投給了《物理評論通訊》。其中，對第一個稍強的信號強度評估為超過“5西格瑪”，意味著科學家們在99.9999%的程度上肯定了信號的真實性。
愛因斯坦廣義相對論方程式是如此深奧復雜，以致于大部分物理學家們花了40年時間才認同引力波真實可測——即使只是在理論上。
愛因斯坦起初認為物體無法以引力輻射的形式釋放能量，后來改變了觀點。即便如此，愛因斯坦和他的同事們對此仍含糊其辭。部分物理學家認為即使引力波存在，也會因為地球的振蕩無法被感知。直到1957年，理查德?費曼將這個問題暫且擱置，提出一個設想：如果引力波存在，在理論上就是可測的。然而沒人清楚釋放出引力波的波源在宇宙中有多少，也沒人知道由此產生的引力波的強度。“終極問題就是：我們究竟還能不能探測到引力波？”肯納菲克說。
1968年，魏斯還是一名年輕的麻省理工學院教授，負責講授廣義相對論——作為實驗物理學家的魏斯所知甚少的一項理論。當時正值約瑟夫?韋伯探測到引力波的新聞不脛而走。魏斯的學生們要求他對引力波作出詮釋并評價這條新聞。魏斯被其中復雜的數學嚇倒了。“我一頭霧水——完全不明白這些圓柱狀探測器是如何與引力波相互作用的。”他琢磨良久，自問道，“我能想到的可以探測到引力波的最原始的東西是什么？”一個想法躍入他腦中，這就是被他所謂的“LIGO的概念基礎”。
想象一下，時空中有三件物體——比如，呈三角形排列的三面鏡子。“將光從其中一個發射到另一個，”魏斯說。“記錄光從一個物體到達另一物體的時間，看時間是否發生變化。”事實證明，“你很快就能做出來。我把這作為題目出給我的學生們，結果一整個班級的學生都能算出。”
魏斯
接下來的數年，鑒于其他研究者無法復制出韋伯的實驗結果，魏斯開始謀劃一個更精確、更有野心的實驗：引力波干涉儀。激光L狀的三面鏡子間發射，形成兩道光束。光波可以準確測量出兩道干涉臂的長度，可看作時空的x和y軸。當坐標靜止時，兩道光波會折射回角落并互相抵消，在探測器中形成零信號。但是，假如有引力波掃過地球，就會將其中一道干涉臂的長度拉長，并將另一干涉臂的長度壓縮。非對齊的兩道光束會在探測器中產生信號，在空間和時間中形成一閃即逝的震顫。
當其他學者還在懷疑時，在加州理工學院研究黑洞的索恩在1975年與魏斯談話后表示了認同。“我開始相信對引力波的搜尋會成功，”索恩說，“我想讓加州理工也加入進來。”他促使加州理工聘用了一直吵著要造出引力波干涉儀的蘇格蘭實驗物理學家羅納德?德雷弗。索恩、德雷弗和魏斯最終組成了團隊并肩作戰，在1984年創建了LIGO。10年后，探測器正式啟用。
不存一絲僥幸，LIGO的科學家們用數萬臺儀器監測著每一次數據運行，測量他們可能測量的一切：地震活動、氣壓、閃電、宇宙射線、儀器的振動、激光束附近的聲響，諸如此類，不一而足。
“奇怪的信號無時無刻不在。”馬可?卡瓦利亞，LIGO的助理發言人說道。科學家們必須追蹤這些幽靈般的存在和其他搗亂的振動模式直到它們的源頭，才能除掉這些干擾物。
LIGO探測器的靈敏度仍在不斷提高，第三臺干涉儀也將在意大利啟用。得到的數據或將有助于理解黑洞是如何形成的。“這只是兩個想法，塵埃落定前肯定還有更多。”魏斯說道。
LIGO最早的項目主管們，1990年
據科學家判斷，第一個信號來自距地球13億光年的兩個大質量黑洞對撞。兩個黑洞彼此圍繞著旋轉，越來越近，越來越快，大約一眨眼的工夫便釋放出相當于三個太陽的能量的引力波。
“仿佛我們從未見過風暴中的汪洋，”索恩說道。他從60年代起就等待著時空中的風暴到來。當引力波最終來到時，他感受到的并非興奮，他說，而是其他的東西：一種深遠的滿足。
文章來源：Quanta Magazine
文章作者：Natalie Wolchover
編譯：未來論壇?商白
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