引言：
備受矚目的引力波發(fā)現(xiàn)研究已經(jīng)在國(guó)內(nèi)各大媒體得到了廣泛的報(bào)道，但這個(gè)涉及到科學(xué)技術(shù)、歷史、科學(xué)家、甚至謬誤與運(yùn)氣的豐富故事，以及里面的戲劇性細(xì)節(jié)，這次還是第一次和大家見(jiàn)面。來(lái)，和我們一起，聽(tīng)一聽(tīng)這個(gè)有趣的故事的完整版。
來(lái)源 | TheNew Yorker
作者|NICOLA TWILLEY
編譯出品|機(jī)器之心
編譯|趙巍
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十幾億年前，距離這里有數(shù)百萬(wàn)個(gè)河外星系之外，兩個(gè)黑洞發(fā)生了碰撞。它們彼此圍繞旋轉(zhuǎn)了億萬(wàn)年，好像是求愛(ài)的舞蹈，每一圈后都在加速，呼嘯著靠近對(duì)方。到了它們間距只有幾百英里的時(shí)候，它們幾乎以光速旋轉(zhuǎn)，釋放出強(qiáng)大的引力能量。時(shí)間和空間被扭曲，像是壺里面煮沸的水一樣。在不到一秒鐘的分毫瞬間里，兩個(gè)黑洞終于合并為一，它們輻射出比全宇宙的恒星輻射出還多幾百倍的能量。它們生成了一個(gè)新的黑洞，質(zhì)量約62個(gè)我們的太陽(yáng)一般，面積幾乎和緬因州一樣。在它（新黑洞）平靜下來(lái)的過(guò)程中，逐漸形成一個(gè)扁平的球狀，最后的幾縷顫抖的能量逃離出去。然后時(shí)間和空間再次寂靜了。
黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波向四周傳播，旅途中隨著距離衰減。在地球上，恐龍崛起，演化，消亡。引力波繼續(xù)前進(jìn)，大概五萬(wàn)年前，引力波到達(dá)了我們的銀河系，正當(dāng)智人開(kāi)始取代其近親尼安德特人開(kāi)始成為地球上最主要的人猿。100年前，愛(ài)因斯坦，靈長(zhǎng)類物種中進(jìn)化的最先進(jìn)的人類的一員，預(yù)言了引力波的存在，激發(fā)了數(shù)十年的猜測(cè)和無(wú)果的尋找。20年前，一個(gè)巨大的探測(cè)器開(kāi)始建設(shè)：the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)。終于，在2015年的9月14號(hào)，在中午11點(diǎn)（中歐時(shí)間）前，引力波到達(dá)了地球。Marco Drago，一位32歲的意大利籍博士后學(xué)生，全球LIGO科學(xué)合作組織的成員，成為第一個(gè)注意到它們的人。Marco當(dāng)時(shí)坐在位于德國(guó)Hannover阿爾伯特 愛(ài)因斯坦研究所他自己的電腦前，遠(yuǎn)程觀看LIGO的數(shù)據(jù)。引力波出現(xiàn)在他的屏幕上，就像一個(gè)被壓縮了的曲線，不過(guò)LIGO裝置著全宇宙最精致的耳朵，可以聽(tīng)到千億分之一英尺的振動(dòng)，應(yīng)該仿佛聽(tīng)到了被天文學(xué)家稱為「蛐蛐叫」的聲音 —— 一聲微弱的由低到高的呼叫。一年之后，在華府的新聞發(fā)布會(huì)上，LIGO團(tuán)隊(duì)正式宣布那個(gè)信號(hào)即為歷史上第一個(gè)直接觀測(cè)到的引力波。
視頻說(shuō)明：兩個(gè)黑洞的碰撞看上去，聽(tīng)上去會(huì)是怎樣的？
當(dāng)Drago看到信號(hào)時(shí)，他驚呆了。「當(dāng)時(shí)很難決定該做什么，」他后來(lái)告訴我。他通知了一個(gè)同事，同事冷靜的通知了位于Livingston，路易斯安那州的LIGO控制中心。消息開(kāi)始在上千個(gè)參與這個(gè)項(xiàng)目的科學(xué)家中傳播開(kāi)來(lái)。在加州，David Reitze，LIGO實(shí)驗(yàn)室的執(zhí)行總監(jiān)，剛送走了女兒去學(xué)校，來(lái)到了他的加州理工辦公室，馬上就被各種消息淹沒(méi)了。「我不記得當(dāng)時(shí)具體說(shuō)了什么了，」他告訴我說(shuō)。「大致的反應(yīng)是，『天哪，這是個(gè)什么東西？』」。Vicky Kalogera，西北大學(xué)的物理與天文學(xué)教授，當(dāng)時(shí)開(kāi)了一天的會(huì)，直到晚餐時(shí)才聽(tīng)到消息。「我老公請(qǐng)我把餐桌布置好，」她說(shuō)，「可是我完全不理他，只顧著瀏覽一大堆古怪的電子郵件并自問(wèn)，到底發(fā)生了什么事？」Rainer Weiss，已經(jīng)83歲高齡物理學(xué)家，是早在1972年LIGO項(xiàng)目的最初提出者，當(dāng)時(shí)正在緬因州度假。他登陸到系統(tǒng)上，看到了信號(hào)，然后大叫道：「我的上帝啊！」音量如此之大，驚得他的妻子和成年兒子跑過(guò)來(lái)看他。
合作研究人員立即開(kāi)始了非常細(xì)致繁重的兩遍，三遍，四遍的數(shù)據(jù)確認(rèn)。「我們說(shuō)我們做了約質(zhì)子直徑千分之一大小的尺度的測(cè)量，向我們講述著兩個(gè)黑洞在10億年前的合并，」Reitze說(shuō)道。「這可是一個(gè)非同尋常的宣布，需要非同尋常的證據(jù)支撐。」與此同時(shí)，LIGO科學(xué)家們被要求宣誓保守秘密。隨著這一發(fā)現(xiàn)的傳言散布開(kāi)來(lái)，從9月份末持續(xù)到最近一個(gè)星期，媒體的激動(dòng)進(jìn)入了尖峰狀態(tài)；也開(kāi)始有關(guān)于諾貝爾獎(jiǎng)的議論。不過(guò)所有的合作者給外界任何詢問(wèn)這件事的任何人一個(gè)統(tǒng)一的簡(jiǎn)單的答復(fù)——他們?nèi)匀辉诜治鰯?shù)據(jù)，還沒(méi)到發(fā)表結(jié)果的時(shí)候。Kalogera甚至連自己的丈夫都沒(méi)告訴。
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LIGO由兩個(gè)設(shè)施組成，相隔1900英里——大約坐飛機(jī)需要3個(gè)半小時(shí)，不過(guò)對(duì)于引力波只需要萬(wàn)分之一秒就能到達(dá)。位于路易斯安那的探測(cè)器，位于Baton Rouge東部的濕地，周圍環(huán)繞著商業(yè)松樹(shù)林；另一個(gè)位于華盛頓州的探測(cè)器，在全美核廢料數(shù)量最多的核設(shè)施的西南部，位于沙漠灌木蒿，風(fēng)滾草，和廢棄的核反應(yīng)堆之間。在每一處設(shè)施，都有兩個(gè)12英尺高的互成直角的混凝土管道伸向遠(yuǎn)方，從高空看上去像是木工的矩一樣。管道是如此之長(zhǎng)，將近2.5英里，他們需要在尾端從地面升起近1碼，來(lái)確保管道自身的直線性，與地球表面自身的彎曲分離。
LIGO是更廣泛的找尋愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論難以測(cè)量的效應(yīng)的工作的一部分。這一理論，簡(jiǎn)單的說(shuō)，聲稱時(shí)間和空間會(huì)在質(zhì)量面前被彎曲，時(shí)空彎曲的效應(yīng)就是我們?nèi)粘８惺艿囊Α．?dāng)兩個(gè)黑洞彼此圍繞，它們把周圍的時(shí)空伸展和壓縮，就像孩子們?cè)诒拇采吓軄?lái)跑去，生成可以傳播到周邊的振動(dòng)；這些振動(dòng)就是引力波。引力波經(jīng)常路過(guò)我們身邊，來(lái)自宇宙中各種源頭，但是引力是比所有其他基本自然作用中更微弱的——電磁作用，比方說(shuō)，也就是束縛原子的作用——以致于我們幾乎從來(lái)感覺(jué)不到它們。愛(ài)因斯坦曾認(rèn)為引力波可能永遠(yuǎn)都不會(huì)被探測(cè)到。他甚至兩次宣布引力波不存在，然后一次再一次的修正他自己的預(yù)測(cè)。當(dāng)時(shí)一個(gè)懷疑者曾經(jīng)評(píng)論說(shuō)引力波好像是靠著「思維的速度在傳遞」。
從理論提出開(kāi)始，過(guò)了50年才有人開(kāi)始建造可以檢測(cè)引力波的設(shè)備。第一個(gè)嘗試這么做的人是一位馬里蘭大學(xué)的工程學(xué)教授，名叫Joe Weber。他把自己的設(shè)備命名為「諧振條天線」。Weber相信鋁制的圓柱體可以被當(dāng)作鈴鐺，放大微弱的引力波。當(dāng)引力波撞到圓柱體，圓柱體會(huì)輕微的振動(dòng)，圓珠周圍的傳感器會(huì)把這種振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。為了確保他測(cè)量到的不是周圍經(jīng)過(guò)的卡車或者輕微地震的振動(dòng)，Weber發(fā)明了一些保護(hù)措施：他將他的條懸置在真空中，他使用了兩個(gè)諧振條，位于不同的地點(diǎn)，一個(gè)在馬里蘭大學(xué)的校園，另一個(gè)在芝加哥附近的Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。如果兩個(gè)諧振條在微小時(shí)間間隔中產(chǎn)生同樣的振動(dòng)，他認(rèn)為就是可能是引力波造成的。
1969年6月份，Weber 宣布了他的諧振條記錄了引力波事件。物理學(xué)家和媒體都很激動(dòng)，《紐約時(shí)報(bào)》這樣報(bào)道：「人類對(duì)宇宙的觀測(cè)又一新篇章被翻開(kāi)了。」很快，Weber 開(kāi)始報(bào)道每日都有信號(hào)記錄。 不過(guò)其他的實(shí)驗(yàn)室都沒(méi)有產(chǎn)生與他的結(jié)果類似的觀察，對(duì)他的懷疑開(kāi)始擴(kuò)散。到了1974年，很多人都下結(jié)論Weber的結(jié)果有錯(cuò)誤。（Weber持續(xù)宣稱有新的探測(cè)結(jié)果，直到他2000年去世為止。）
Weber的故事塑造了他開(kāi)擴(kuò)的領(lǐng)域的形象，產(chǎn)生了一個(gè)有毒害的印象，即引力波的尋找者們，后來(lái)引用Weiss 的話，都是「說(shuō)謊者，沒(méi)有謹(jǐn)慎態(tài)度，甚至天知道還有什么惡習(xí)」。這個(gè)印象在2014年還得到一次強(qiáng)化，當(dāng)在南極附近的BICEP2望遠(yuǎn)鏡上發(fā)現(xiàn)了好像是大爆炸遺留的引力輻射；雖然信號(hào)是探測(cè)到一個(gè)，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)原來(lái)是宇宙塵埃，不是引力波。Weber身后也留下一批無(wú)法復(fù)制Weber生成的結(jié)果的研究人員。Weiss，因?yàn)樵谧约旱牡穆槭±砉け究普n程中被無(wú)法解釋W(xué)eber 的工作煩惱，開(kāi)始設(shè)計(jì)后來(lái)的LIGO的原型思想。「我不能理解Weber想干什么，」他在后來(lái)的2000年加州理工編輯的口頭歷史中回顧到，「我不認(rèn)為那個(gè)想法是正確的。于是我自己開(kāi)始去找答案。」
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在尋找引力波的過(guò)程中，「很多的工作是在電話中完成的」，F(xiàn)red Raab，LIGO的華盛頓州設(shè)施的負(fù)責(zé)人告訴我。每個(gè)星期都有討論數(shù)據(jù)的例會(huì)，每?jī)蓚€(gè)星期都有討論兩個(gè)探測(cè)器協(xié)調(diào)工作的例會(huì)，會(huì)有來(lái)自澳大利亞，印度，德國(guó)，英國(guó)還有其它地區(qū)的合作者參與。」當(dāng)這些人在午夜從夢(mèng)中醒來(lái)，他們通常是在夢(mèng)著有關(guān)探測(cè)器的事，」Raab說(shuō)道。「這反映著他們和這項(xiàng)工作有多親密，」他解釋說(shuō)，這樣才能把這些非常復(fù)雜的由Weiss最初構(gòu)思出來(lái)的設(shè)備運(yùn)行好。
Weiss的探測(cè)方法和Weber有著極大的不同。他最初洞見(jiàn)是需要把探測(cè)系統(tǒng)做成L型。想象兩個(gè)人躺在地上，他們的頭挨著，身體形成90度角。當(dāng)引力波通過(guò)他們時(shí)，其中一個(gè)人會(huì)被拉長(zhǎng)，另一個(gè)人會(huì)被縮短；下一時(shí)刻，想法的情況會(huì)發(fā)生。當(dāng)引力波朝著一個(gè)方向拉伸時(shí)空，一定會(huì)在另一方向壓縮時(shí)空。Weiss的設(shè)備會(huì)丈量這兩個(gè)波動(dòng)的長(zhǎng)度，在非常大的尺度上來(lái)測(cè)量，使用數(shù)英里長(zhǎng)的鋼管道。「我不會(huì)就在我的桌子上檢測(cè)到任何東西。」Weiss 說(shuō)道。
為了達(dá)到必要的測(cè)量精度，Weiss建議使用光來(lái)作為尺子。他設(shè)想在L形狀的拐彎處放置激光源。激光源會(huì)向兩個(gè)管子的尾部發(fā)射兩束激光，在各自尾部會(huì)放置一個(gè)鏡子來(lái)反射激光。光在真空中的速度是常數(shù)，所以當(dāng)兩個(gè)管子都去除了空氣和其他粒子后光束應(yīng)該同時(shí)在拐彎處重逢，除非引力波通過(guò)這個(gè)結(jié)構(gòu)。在這種情況下，光源和鏡子間的距離會(huì)有小的變化。既然一束光現(xiàn)在會(huì)旅行比它孿生伙伴更短的距離，它們不再會(huì)在相位上保持一致，差距越大，表明引力波越強(qiáng)。這種設(shè)備需要比任何以往的物理設(shè)備敏感幾千倍，還需要細(xì)微的調(diào)試來(lái)提取一個(gè)不斷變?nèi)醯奈⑿⌒盘?hào)，在地球上充滿無(wú)處不在噪音的大背景下做這件事。
Weiss在1972年春天把他的設(shè)計(jì)寫(xiě)了出來(lái)，作為他的實(shí)驗(yàn)室的季度報(bào)告。這篇文章從未在科學(xué)期刊發(fā)表——畢竟這只是個(gè)設(shè)想，不是實(shí)際的實(shí)驗(yàn)——但是據(jù)Kip Thorne，參與過(guò)《星際穿越》電影創(chuàng)作的著名的加州理工退休物理教授，這篇文章「是歷史上最優(yōu)秀的一片論文」。Thorne記得是后來(lái)才看到Weiss這篇文章，「如果我早早讀這篇文章，我不會(huì)完全理解它。」果然，Thorne的1973年初版里程碑式的關(guān)于引力的教材中，他還在學(xué)生練習(xí)中請(qǐng)學(xué)生證明通過(guò)激光驗(yàn)證引力波存在性的不現(xiàn)實(shí)性，「不過(guò)我很快就改變了自己的看法。」他后來(lái)告訴我。
Thorne 的態(tài)度改變發(fā)生在1975年，在華府的一間酒店房間里。Weiss邀請(qǐng)他來(lái)與一組NASA科學(xué)家對(duì)話。那個(gè)會(huì)議的前夜，兩個(gè)人一起討論，「我不記得當(dāng)時(shí)怎么發(fā)生的，但是我們分享了一個(gè)酒店套房，」Weiss說(shuō)。他們坐在一個(gè)小桌子邊，在草紙上寫(xiě)滿了圖形和方程。Thorne，在摩門(mén)教家庭長(zhǎng)大，喝著Dr Pepper；Weiss則抽著煙斗，「這個(gè)世界上沒(méi)有多少人可以像我們兩個(gè)這樣交流，因?yàn)槲覀兌荚谶@個(gè)問(wèn)題上思考了很多年，」 Weiss回憶道。當(dāng)Thorne 回到他的臥室時(shí)，天已經(jīng)開(kāi)始發(fā)亮了。
在麻省理工，Weiss 已經(jīng)開(kāi)始組裝一個(gè)小的原型，每個(gè)探測(cè)臂有五尺長(zhǎng)。但是他在從系里的管理者那里爭(zhēng)取資助上遇到了困難，因?yàn)樵S多他的同事還對(duì)這個(gè)設(shè)想持有懷疑。其中一個(gè)懷疑者，一個(gè)著名的天地物理學(xué)家和相對(duì)論專家， Phillip Morrison，持有非常堅(jiān)定的意見(jiàn)認(rèn)為黑洞不存在——這一看法當(dāng)時(shí)有很多同時(shí)代的人都持有，因?yàn)橹С趾诙吹臄?shù)據(jù)太少了。既然黑洞是理論上僅有的少數(shù)可以產(chǎn)生可觀測(cè)到的引力波的源頭，Morrison 認(rèn)為Weiss 的設(shè)備沒(méi)有可以發(fā)現(xiàn)的東西。Thorne 在加州理工進(jìn)展更順利些：到了1981年，在加州理工已經(jīng)開(kāi)始建造一個(gè)探測(cè)臂有130英尺長(zhǎng)的原型。一個(gè)蘇格蘭后裔物理學(xué)家Ronald Drever負(fù)責(zé)原型的建造，并在建造過(guò)程中不斷改進(jìn)Weiss 的設(shè)計(jì)。
1990年，經(jīng)過(guò)了多年的研究，報(bào)告，講演，委員會(huì)會(huì)議。Weiss，Thorne還有Drever說(shuō)服了NSF（國(guó)家自然科學(xué)基金）來(lái)資助LIGO的建設(shè)。這個(gè)項(xiàng)目將要花費(fèi)2.72億美元，比任何NSF之前和以后支持的實(shí)驗(yàn)都多。「這導(dǎo)致了一場(chǎng)激烈爭(zhēng)斗，」Weiss 說(shuō)。「天文學(xué)家非常反對(duì)這個(gè)項(xiàng)目，因?yàn)樗麄冇X(jué)得這是有史以來(lái)最大的金錢浪費(fèi)。」許多科學(xué)家都擔(dān)心LIGO會(huì)吸走別的研究的經(jīng)費(fèi)。Rich Issacson，當(dāng)時(shí)一個(gè)NSF的項(xiàng)目官員，起到了關(guān)鍵作用，幫助項(xiàng)目啟動(dòng)。「他和NSF一直支持我們，為此冒了很大的風(fēng)險(xiǎn)。」Weiss回憶道。
「這個(gè)東西根本就不合適被建造，」Issacson后來(lái)回憶道。「當(dāng)時(shí)只有幾個(gè)頭腦發(fā)熱的人到處游說(shuō)，在沒(méi)有任何信號(hào)發(fā)現(xiàn)的前提下，討論把真空技術(shù)，激光技術(shù)，材料科學(xué)技術(shù)，地震隔離技術(shù)還有反饋系統(tǒng)推倒幾個(gè)數(shù)量級(jí)高于當(dāng)時(shí)技術(shù)的水平，甚至需要使用還沒(méi)有被發(fā)明出來(lái)的材料。」但是Issacson的博士論文就是關(guān)于引力輻射，他堅(jiān)信LIGO的理論基礎(chǔ)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹！杆晕移鋵?shí)是引力波領(lǐng)域在NSF安插的內(nèi)線。」他開(kāi)玩笑說(shuō)。
在他們的項(xiàng)目申請(qǐng)中，LIGO團(tuán)隊(duì)警告說(shuō)他們最初的設(shè)計(jì)可能什么都探測(cè)不到。不過(guò)，他們爭(zhēng)辯說(shuō)，只有通過(guò)建造一個(gè)不完美的探測(cè)器才能學(xué)習(xí)理解如何建造一個(gè)更好的探測(cè)器。「有足夠的理由相信這個(gè)計(jì)劃不會(huì)探測(cè)到結(jié)果，」Issacson說(shuō)。他說(shuō)服了NSF就算第一階段檢測(cè)不到信號(hào)，在這構(gòu)成中帶來(lái)的測(cè)量精度的進(jìn)步也值得投資。在1994年，探測(cè)器建設(shè)正式破土動(dòng)工。
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經(jīng)過(guò)兩年，終于造出了歷史上最敏感的設(shè)備，而且對(duì)除了引力波外的任何其他東西都不敏感。光抽真空就需要40天。結(jié)果是造出了地球上最純凈的真空環(huán)境，只有大氣海平面濃度的萬(wàn)億分之一。不過(guò)，有些干涉幾乎超出了想象力——本地陸地上的風(fēng)聲，或者臨海的海風(fēng)；供電系統(tǒng)的波動(dòng)帶來(lái)的激光純度的波動(dòng)；甚至鏡子中原子的不穩(wěn)定；遙遠(yuǎn)的雷電。所有這些都會(huì)被誤認(rèn)為是引力波，每一個(gè)干涉都需要被排除和控制住。拿一個(gè)LIGO子系統(tǒng)做例子，它可以應(yīng)對(duì)微小的地質(zhì)抖動(dòng)，啟動(dòng)減震功能，用相反的力作用在反射鏡上來(lái)抵消，保持鏡子的穩(wěn)定；再舉個(gè)例子，另一個(gè)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)所有有干擾的聲音，包括經(jīng)過(guò)的汽車，飛機(jī)，甚至野外的狼嚎。
「這里還有上萬(wàn)個(gè)小的細(xì)節(jié)需要考慮，我真的指上萬(wàn)個(gè)，」Weiss 說(shuō)道。「每一個(gè)細(xì)節(jié)都要被完善來(lái)確保沒(méi)有任何的東西會(huì)干擾信號(hào)。」當(dāng)他的同事們調(diào)試系統(tǒng)的內(nèi)部組件時(shí)，他們需要搭建可移動(dòng)的消毒室，清潔他們的工具，穿上被他們稱為「兔子裝」的全身工作服——來(lái)防止皮膚上的細(xì)胞或者粉塵粒子落到精密的光學(xué)設(shè)備上。
第一個(gè)迭代的探測(cè)器在2001年上線。下面的九年中，科學(xué)家們測(cè)量并改進(jìn)設(shè)備的性能，完善他們的數(shù)據(jù)分析算法。同時(shí)，他們使用在加州理工和德國(guó)的原型來(lái)開(kāi)發(fā)更好的反光鏡，激光，地震隔離技術(shù)。2010年，探測(cè)器下線，開(kāi)始了為期5年，耗資2億美元的升級(jí)。系統(tǒng)目前隔離如此的好以至于一個(gè)部門(mén)經(jīng)理在控制室隔壁發(fā)動(dòng)了他的哈雷摩托，引力波頻道的科學(xué)家在自己的屏幕上什么都不會(huì)看到。探測(cè)系統(tǒng)的第二次迭代，高級(jí)LIGO系統(tǒng)，可以最終探測(cè)比上一代大一千倍的空間區(qū)域。
一些最困難的工作發(fā)生在鏡子上。根據(jù)Reitze，這些是世界上最好的鏡子，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何的同類。每一面鏡子都有一尺寬，重90磅，被磨成精度到一億分之一英尺的完美的球面鏡。（一面鏡子的造價(jià)約100萬(wàn)美元。）開(kāi)始時(shí)，鏡子們被懸在一圈鋼線上。升級(jí)后，它們被連接在一個(gè)鐘擺系統(tǒng)上，來(lái)隔離地質(zhì)抖動(dòng)的影響。連接它們的是溶化硅纖維——基本成分就是玻璃——足夠強(qiáng)壯來(lái)承受鏡子的重量，但是很容易破碎。「我們出過(guò)一次事故，一個(gè)螺絲刀掉下來(lái)，刮到了硅纖維，結(jié)果整個(gè)鏡子都掉了下來(lái)。」Anamaria Effler，一個(gè)過(guò)去在那里工作過(guò)的運(yùn)轉(zhuǎn)專業(yè)技術(shù)人員告訴我。纖維的優(yōu)點(diǎn)是它的純度，根據(jù)格拉斯哥大學(xué)的Jim Hough，「當(dāng)你彈一下威士忌杯子，它會(huì)發(fā)出漂亮的振動(dòng)聲；溶化的硅比威士忌杯子還好，更像是撥動(dòng)小提琴的琴弦」音符是如此的薄可以用LIGO的信號(hào)處理軟件把它過(guò)濾掉，又一個(gè)干擾排除了。
準(zhǔn)備高級(jí)LIGO的工作比想象的進(jìn)展得慢，所以更新的改進(jìn)的設(shè)備的投入使用時(shí)間被推遲了幾天，到2015年9月18日。Weiss被從波士頓叫來(lái)確定一個(gè)頻率干涉的源頭。「我到了那里，被嚇壞了」他說(shuō)。「這個(gè)干涉到處都是。」他建議進(jìn)行一個(gè)星期的修理來(lái)處理，但是項(xiàng)目的總負(fù)責(zé)人拒絕了這一延誤，不想再耽誤一天的觀測(cè)時(shí)間。「感謝上帝他們沒(méi)有讓我那么干，」Weiss 回憶。「我會(huì)導(dǎo)致讓整個(gè)系統(tǒng)在信號(hào)出現(xiàn)時(shí)下線！」
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9月13號(hào)是個(gè)星期天，Effler在華盛頓州的設(shè)施和另一位同事整整忙了一天，完成一些列的最后測(cè)試工作。「我們大喊大叫，我們搖晃東西，敲打東西，引入磁鐵干擾，做了各種事情，」她回憶說(shuō)。「不出所料，每件事都花費(fèi)了比預(yù)期更多的時(shí)間。」終于在凌晨4點(diǎn)，只剩下一個(gè)測(cè)試要做——模擬附近的卡車司機(jī)踩剎車——他們終于決定收工。他們開(kāi)車回家了，只留下設(shè)備靜靜的采集數(shù)據(jù)。引力波信號(hào)沒(méi)等多久就到了，在凌晨4點(diǎn)50分，當(dāng)?shù)貢r(shí)間，相差只有7微秒分別通過(guò)了兩個(gè)探測(cè)器。距離高級(jí)LIGO的正式啟動(dòng)還有四天時(shí)間。
引力波被如此早的探測(cè)到引來(lái)了很多迷惑和質(zhì)疑。「我告訴所有人我們直到2017年獲2018年才會(huì)探測(cè)到任何東西，」Reitze說(shuō)。 Janna Levin，哥倫比亞大學(xué)的天體物理教授，沒(méi)有參加LIGO合作研究，也感到非常吃驚。「當(dāng)傳言開(kāi)始時(shí)，我的反應(yīng)是：別逗了！」她說(shuō)，「他們連鎖才剛上好！」。再說(shuō)這個(gè)信號(hào)實(shí)在是太完美了。「我們絕大多數(shù)人認(rèn)為，當(dāng)我們看到這個(gè)信號(hào)時(shí)，它將是從非常多的計(jì)算機(jī)和計(jì)算周期后中從噪音中拉出來(lái)的信號(hào)，」Weiss認(rèn)為。大多數(shù)人認(rèn)為這個(gè)信號(hào)是某種測(cè)試。
LIGO團(tuán)隊(duì)包括一小組人員，專門(mén)制造隱藏的信號(hào)注入——虛假的引力波證據(jù)——作為對(duì)科學(xué)家工作的監(jiān)督。盡管每個(gè)人都認(rèn)識(shí)這個(gè)四人小組的成員，「我們都不知道什么樣的信號(hào)，在何時(shí)，以及是否被注入，」Gabriela Gonzalez， 合作研究的發(fā)言人說(shuō)。當(dāng)LIGO的最早的2010年的運(yùn)行中，探測(cè)器撿到了好像是很強(qiáng)的信號(hào)。科學(xué)家們緊張的分析了六個(gè)月，最后認(rèn)為是來(lái)自河外星系Canis Major的引力波。就在他們想把發(fā)現(xiàn)投到科技期刊之前，他們被告知這個(gè)信號(hào)是被注入的假信號(hào)。
這一次，隱藏信號(hào)小組發(fā)誓他們和這個(gè)信號(hào)沒(méi)有任何關(guān)系。Marco Drago認(rèn)為他們的否認(rèn)可能是測(cè)試的一部分，不過(guò)Reitze自己，作為四人小組的成員，有另外的擔(dān)心。「我的擔(dān)憂是——你可以理解為這是我們對(duì)做出任何虛假發(fā)現(xiàn)的本能畏懼——有沒(méi)有其他的人惡意的在搗亂？」他說(shuō)，「會(huì)不會(huì)是其他人在我們的探測(cè)器里偽造了一個(gè)信號(hào)，我們沒(méi)有人知曉？」Reitze，Weiss，Gonzalez還有其它幾個(gè)人考慮了誰(shuí)還出于對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)算法的全面了解有可能制造這個(gè)假信號(hào)。他們只找到4個(gè)人選，其中沒(méi)有一個(gè)人有任何動(dòng)機(jī)去這樣做。「我們深入盤(pán)問(wèn)了這些人，」Weiss 說(shuō)，「結(jié)論是，他們沒(méi)有做這件事。」最后，他說(shuō)，「我們接受了最經(jīng)濟(jì)直接的解釋：這是一對(duì)黑洞造成的。」
LIGO合作研究機(jī)構(gòu)的每一個(gè)分部門(mén)開(kāi)始確認(rèn)這一探測(cè)的有效性。他們檢查每一件設(shè)備是怎么設(shè)定和校準(zhǔn)的，每一行軟件代碼都分析，編輯了一個(gè)單子列出所有可能的環(huán)境干擾，從大氣電離層的振蕩到太平洋沿岸的地震。（「當(dāng)時(shí)有一個(gè)很強(qiáng)大的發(fā)生在非洲的閃電，」Stan Whitcomb，LIGO首席科學(xué)家告訴我。「不過(guò)后來(lái)磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x顯示它沒(méi)有足夠的干擾可以產(chǎn)生這個(gè)信號(hào)。」）最后，他們確認(rèn)了這個(gè)探測(cè)結(jié)果滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)的5西格瑪門(mén)檻，這是宣布任何物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。換句話說(shuō)，這意味著這個(gè)探測(cè)結(jié)果只有3百50萬(wàn)分之一的概率是由隨機(jī)事件造成的。
9月14號(hào)的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在正式命名為GW50914，已經(jīng)附帶來(lái)好幾個(gè)非常重要的天體物理發(fā)現(xiàn)。舉例說(shuō)，它是第一個(gè)觀測(cè)證據(jù)說(shuō)明雙黑洞對(duì)的存在。直到現(xiàn)在，這只是理論上的可能性，因?yàn)楹诙赐淌伤兄車墓猓寕鹘y(tǒng)望遠(yuǎn)鏡無(wú)法觀測(cè)到。引力波是唯一可以逃出黑洞的壓倒性的引力場(chǎng)的信息。
LIGO科學(xué)家已經(jīng)從這個(gè)信號(hào)中提取出令人驚訝的信息，包括源頭的黑洞的質(zhì)量，軌道速度，它們邊界接觸的時(shí)刻。它們比想象的質(zhì)量大很多，這個(gè)驚訝地發(fā)現(xiàn)，如果被以后的引一步觀測(cè)印證，將會(huì)幫助解釋各個(gè)銀河中心的神秘的超級(jí)體量黑洞是如何形成的。研究團(tuán)隊(duì)還量化了黑洞的ringdown——三個(gè)能量脈沖在最終的合并后的新的更大的黑洞在球形化過(guò)程中釋放出來(lái)——也就是說(shuō)黑洞在合并后把自身的不完美部分通過(guò)引力波輻射出來(lái)。
這次檢測(cè)還證實(shí)了愛(ài)因斯坦關(guān)于這個(gè)物理宇宙的另一個(gè)特性的想法。盡管他的理論主要是關(guān)于引力，以前理論主要是在我們自己的太陽(yáng)系進(jìn)行檢驗(yàn)，在這里引力的主導(dǎo)效應(yīng)比較弱。「你僅在你爬樓梯的時(shí)候才會(huì)想起地球的引力，」Weiss 說(shuō)，「但是，對(duì)于物理學(xué)來(lái)說(shuō)，引力的效應(yīng)相比之下只是個(gè)小角色，非常微弱，沒(méi)有什么影響。「在黑洞附近就不同了，引力在那里是宇宙中最強(qiáng)的作用力，可以把原子撕碎。這些愛(ài)因斯坦在1916曾預(yù)言過(guò)，LIGO的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示愛(ài)因斯坦的方程和實(shí)際觀測(cè)幾乎是完美的一致。「他究竟怎么能知道這點(diǎn)？」Weiss 問(wèn)道。「我多么希望在那個(gè)早晨可以把數(shù)據(jù)拿給他看，看看他臉上的反應(yīng)。」
自從9月14號(hào)的發(fā)現(xiàn)，LIGO繼續(xù)觀察到可以作為引力波候選的信號(hào)，盡管這些信號(hào)沒(méi)有第一個(gè)信號(hào)那樣具有戲劇性。「我們一開(kāi)始這樣折騰都是因?yàn)殚_(kāi)始這個(gè)大信號(hào)，」Weiss 說(shuō)道。「不過(guò)，我們非常高興還有別的，強(qiáng)度小一些的信號(hào)，說(shuō)明我們最開(kāi)始的發(fā)現(xiàn)不是單一的，瘋狂的，神經(jīng)質(zhì)的事件。」
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幾乎所有科學(xué)家得到的關(guān)于宇宙的知識(shí)都是來(lái)自電磁光譜類實(shí)驗(yàn)。400年前，伽利略用他自制的望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始探索可見(jiàn)光的世界。從那時(shí)開(kāi)始，天文學(xué)家們把觀測(cè)設(shè)備的能力不斷提升。他們學(xué)會(huì)了觀測(cè)無(wú)線電波段和微博波段，紅外波段和紫外波段，X射線，伽馬射線，揭示了船底座星云中恒星的誕生，土星第八個(gè)衛(wèi)星上面噴泉的噴射，找到了銀河系的中心位置，探測(cè)到了類似地球的行星的位置。但是95%的宇宙是無(wú)法用傳統(tǒng)的天文學(xué)手段觀測(cè)到的。引力波可能還無(wú)法探測(cè)了解所謂的占據(jù)了大部分不可見(jiàn)宇宙的暗能量，但是它們可以幫助我們用前所未有的方式去巡查時(shí)空。「這是一種全新的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)，」Reitze說(shuō)道。「意味著我們有了一個(gè)新的天文學(xué)領(lǐng)域要去探索。」如果我們過(guò)去見(jiàn)證到的是一個(gè)無(wú)聲電影，Levin說(shuō)，引力波現(xiàn)在把我們的宇宙轉(zhuǎn)變成了一個(gè)有聲屏幕。
碰巧的是，LIGO可以檢測(cè)到的引力波波段的頻率落在了人類可以聽(tīng)得到的頻段，在35～250赫茲之間。當(dāng)這個(gè)「唧唧叫」到達(dá)地球的時(shí)候，已經(jīng)變的很輕很輕，LIGO只能夠采集到不到十分之二秒的黑洞數(shù)十億年前的合并，不過(guò)通過(guò)一些簡(jiǎn)單的聲音處理，這個(gè)事件聽(tīng)上去像一個(gè)滑音。「用你的手指背面的指甲尖，在鋼琴鍵盤(pán)上從最低音A滑動(dòng)到中音C，你就可以聽(tīng)到這個(gè)信號(hào)。」
不同的天體會(huì)發(fā)出它們自己特有的引力波，意味著LIGO和它后面的系統(tǒng)將會(huì)聽(tīng)到一個(gè)宇宙交響樂(lè)。「雙中子星聽(tīng)上去像短笛，」 Reitze說(shuō)。隔離的旋轉(zhuǎn)的脈沖星，他說(shuō)，可能會(huì)發(fā)出一個(gè)單音調(diào)的「叮」，像三腳鐵的聲音，黑洞則是樂(lè)隊(duì)中的弦樂(lè)，從雙低音向上，取決于他們的質(zhì)量。LIGO，他說(shuō)，將只能聽(tīng)到小提琴和中提琴；由超級(jí)巨型黑洞發(fā)出的引力波，比如位于銀河系中心的黑洞，需要等待未來(lái)?yè)碛胁煌舾卸鹊奶綔y(cè)器。
好幾個(gè)這樣的探測(cè)器已經(jīng)在籌備中了，有些已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)了，包括愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)歐洲的項(xiàng)目，它的地下的探測(cè)臂將比LIGO兩倍還要長(zhǎng)，還有一個(gè)基于太空的三個(gè)設(shè)備組成的集群，叫做eLISA。(歐洲航天局，在NASA的協(xié)助下，已經(jīng)在12月份發(fā)射了實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，驗(yàn)證LISA的新技術(shù)。）其他的探測(cè)器已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，包括前面提到的BICEP2望遠(yuǎn)鏡，雖然它最初發(fā)現(xiàn)的事假信號(hào)，仍然可能發(fā)現(xiàn)宇宙早期的引力波的回聲。Reitze 的希望是，LIGO的發(fā)現(xiàn)將會(huì)鼓勵(lì)更多的對(duì)這一領(lǐng)域的投資。
高級(jí)LIGO的首批觀測(cè)任務(wù)到了1月12號(hào)就結(jié)束了。Effler和其他的任務(wù)團(tuán)隊(duì)成員已經(jīng)開(kāi)始了又一輪的改善升級(jí)。探測(cè)器已經(jīng)要接近它最大的設(shè)計(jì)精度了；兩到三年內(nèi)，它可能會(huì)每天都記錄引力波事件，在這過(guò)程中采集更多的數(shù)據(jù)。下半年夏天末尾時(shí)系統(tǒng)會(huì)再次上線，傾聽(tīng)更多的來(lái)自天外的我們還未想象到的音樂(lè)。「我們?cè)陂_(kāi)啟一個(gè)面向宇宙的新窗戶，這個(gè)窗戶和以往所有的窗戶都非常不同，我們對(duì)什么東西會(huì)通過(guò)這個(gè)窗戶進(jìn)來(lái)也很無(wú)知，」 Thorne說(shuō)道，「一定會(huì)有更大的驚喜等待著我們。」
英文原題《Gravitational Waves Exist: The Inside Story of How Scientists Finally Found Them》，點(diǎn)擊文末“閱讀原文”可查看。本文由機(jī)器之心原創(chuàng)編譯，《知識(shí)分子》獲授權(quán)刊載。
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