嚴小平

科學家正在尋找阿爾伯特·愛因斯坦于1916年提出的“時空經(jīng)緯中的漣漪”。

在美國的兩個邊遠地區(qū)——一個位于路易斯安那州利文斯頓附近的沼澤地和柏樹林中，另一個位于華盛頓里奇蘭外干旱荒蕪的平原上，科學家小組正在調試有史以來最大、最靈敏的測量儀器。這套儀器是激光干涉儀引力波天文臺組件，用于觀測被稱為引力波的自然現(xiàn)象。早在1916年，著名德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦就預見了這種現(xiàn)象。

正如水波能夠在靜靜的池塘表面泛起漣漪一樣，引力波就是時空經(jīng)緯中的漣漪。2001年，大多數(shù)科學家對引力波的存在深信不疑，盡管事實上還沒有人直接觀測到。1993年，兩名美國人，拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒，就因發(fā)現(xiàn)引力波存在的令人信服的間接證據(jù)而獲得諾貝爾物理學獎。對許多科學家來說，這個證據(jù)足以吸引他們奔赴遙遠的引力波天文臺前哨。

激光干涉儀引力波天文臺是麻省理工學院和加州理工學院聯(lián)合創(chuàng)建的。美國國家科學基金為建造激光干涉儀引力波天文臺提供了大約3億美元的資金，這是這個機構資助的最大項目。

什么是引力？

引力就是把我們的雙腳控制在地面的吸引力，也是保持行星圍繞恒星旋轉的吸引力。盡管引力在人類活動中扮演著主要角色，但較之把原子聚在一起的電力，它還是一種很微弱的力。例如，一個電子和一個原子核之間的引力，只是它們電吸引力的1/10⁴¹。

對引力的研究可回溯到人類早期的科學。公元前4世紀，希臘哲學家亞里士多德認為，重的物體比輕的物體下落得更快。人們一直接受這種觀點，直到17世紀早期，意大利天文學家和物理學家伽利略的研究顯示，引力對所有下落的物體同樣加速，不管它們的質量大小。伽利略讓不同質量的球落下，發(fā)現(xiàn)它們幾乎同時到達地面。

在伽利略研究的基礎上，英國物理學家和數(shù)學家艾薩克·牛頓對引力做了仔細研究之后，1687年發(fā)表了萬有引力定律。這個定律稱，宇宙中的每一個物體都會以一種力吸引每一個其他物體，引力的大小與這些物體的質量以及它們之間的距離有關。牛頓沒有嘗試解釋引力是怎么產生的，只是說這是一種瞬間穿過真空的神秘的力。

牛頓理論一直是物理學的基礎，直到1915年，阿爾伯特·愛因斯坦提出一種新的引力理論。在愛因斯坦稱為廣義相對論的理論中，空間本身就在引力中起著積極作用。愛因斯坦將三維時空的概念結合到被稱為“時空”的實體中。他沒有把空間看成虛無，而把它描述成有著幾何特性的真實的“織物”，在這個“織物”里，它可以被物體扭曲。愛因斯坦推斷，引力是由于一個諸如太陽這樣的巨大物體扭曲了它周圍的空間而產生的，空間的扭曲是由太陽的質量使地球和其他行星一直環(huán)繞太陽運行造成的。為了使愛因斯坦的概念形象化，讓我們想象在蹦床上放一個保齡球。保齡球的重量會在蹦床上壓出一個坑，這時，較小的物體如彈珠之類就會滾進這個坑里。行星由于環(huán)繞軌道運動而沒有“滾”入太陽，因為這個運動提供了對太陽引力的一種平衡力。

牛頓認為引力效應是瞬間發(fā)生的，而愛因斯坦則推論引力效應以光速移動。按照牛頓的觀點，如果一顆恒星突然增加10%的質量，宇宙中所有其他天體就會立即受到這顆恒星增加的引力的影響。而按照愛因斯坦的觀點，這種效應會以光速從這顆恒星向外輻射。

廣義相對論發(fā)表以來，就成為科學家理解引力的基礎，并且不斷被牛頓理論所不能解釋的小效應觀察所確認。愛因斯坦有關“存在扭曲空間物質”的理論引發(fā)了一種觀點，認為空間猛烈事件必然導致空間“織物”中的大扭曲——“空震”，并產生最終會到達地球的漣漪。當天體彼此螺旋式地相對運動時，會以引力波的形式向外輻射而損失能量，最后的碰撞會釋放出巨大的引力能。

科學家認為，當引力波穿越一定的空間范圍時，它會向一個方向延伸，并同時擠入垂直方向。波的這種運動叫做四極輻射。一個飄浮在空震震源附近的人會先被拉伸，然后像引力波經(jīng)過一樣被擠過。

努力發(fā)現(xiàn)最微弱的引力波

2001年，在證實引力波存在的過程中，留下了愛因斯坦理論最重要且可測試的一項證據(jù)。然而，探測引力波對科學家來說是一項嚴峻的挑戰(zhàn)。雖然猛烈事件引發(fā)了空震，但當引力波從遙遠的地方到達地球時，它們已極其微弱，很難檢測得到。這很像一塊石頭掉進一個巨大湖泊的湖心時所漾起的水紋：在撞擊的位置，波紋很大，當波紋向外輻射的時候，就會減小，而當波紋到達岸邊的時候，就變得幾乎察覺不到了。

專家推論，穿過地球的引力波只有極其微小的效應，以致當它擠壓并延伸一個巨大的物體，如金門大橋這樣的物體時，其距離大約只有一個質子直徑的1‰。因此，這一效應很難被檢測到。

搜尋引力波的嘗試始于20世紀60年代。當時，美國馬里蘭大學的物理學家約瑟夫·韋伯開始建造了一系列越來越靈敏的探測器，它們都以同樣的原理運轉。韋伯將一個很大的鋁棒掛在細金屬線上，使之不受地面震動的影響。他推斷，如果引力波穿過這根鋁棒，鋁棒就會震動。因為韋伯知道這樣的震動極其微弱，所以他將這根鋁棒連接到靈敏的探測器上。探測器由特殊晶體組成，這種晶體受到非常微小的壓縮也會產生電流。穿過鋁棒的引力波會壓縮這些晶體而產生電流，這是引力波存在的標志。自20世紀60年代末開始，韋伯聲稱他每天都檢測到了引力波，但其他科學家用甚至更靈敏的相同設計，卻沒能復制他的結果。大多數(shù)物理學家最后摒棄了韋伯的實驗結果，稱他的鋁棒探測器太過粗糙。雖然如此，科學家還是把他視為引力波研究領域的開拓性人物。

1974年，畢業(yè)于麻省州立大學的天文學研究生拉塞爾·赫爾斯和他的導師約瑟夫·泰勒的一項共同意外發(fā)現(xiàn)，最終開啟了搜尋引力波的新窗戶。在波多黎各的阿雷西博天文臺，赫爾斯利用當時世界上最強大的射電望遠鏡，搜尋被稱為中子星的星球。

中子星是已知最小最致密的恒星。當一顆巨大的恒星耗盡燃料，在自己引力的作用下坍塌的時候，中子星誕生了。這時，這顆恒星會經(jīng)歷一次巨大的爆炸，即超新星爆發(fā)。在爆炸過程中。這顆恒星會拋掉它的外層，留下主要由中子構成的致密的核。大多數(shù)中子星約30千米寬，其質量比太陽還大。

赫爾斯特別想找到一種被稱為脈沖星的中子星。脈沖星是迅速旋轉的中子星，發(fā)出一種無線電波窄波束。脈沖星旋轉時，無線電波束就像旋轉的燈塔一樣掃過太空。如果脈沖星與地球排成一線，以便每次旋轉電波都能掃過地球，那么，射電望遠鏡就能探測到以重復脈沖形式出現(xiàn)的電波。

然而，赫爾斯發(fā)現(xiàn)的脈沖星表現(xiàn)出令人不可思議的特性。大多數(shù)脈沖星發(fā)出的脈沖非常規(guī)則，任何變化都需要最精確的時鐘才能檢測到。而赫爾斯發(fā)現(xiàn)的脈沖星卻在以變化的速率發(fā)出脈沖，這種模式每7小時45分鐘重復一次。

赫爾斯和泰勒推斷，如果脈沖星在圍繞一顆看不見的伴星旋轉的話，這樣的變化就可以得到解釋。這樣的運行軌道會導致脈沖星發(fā)射的脈沖被多普勒效應壓縮和延展。多普勒效應是以澳大利亞物理學家克里斯琴·多普勒的名字命名的，即移向或飛離觀測者的聲波、光波或無線電波波長的變化。例如，對一個立在站臺上的觀測者來說，一列進站的火車的汽笛聲似乎很大，因為在火車的傳送方向上聲波被壓縮了，聲波的頻率也就增加了。

引力波的間接證據(jù)

當赫爾斯的脈沖星在它的軌道上飛向地球的時候，無線電波出現(xiàn)得更加頻繁。當脈沖星飛離地球的時候，脈沖的頻率就減少。然而，因為發(fā)生變化的整個周期如此之短，這顆脈沖星不可能圍繞一顆標準的恒星旋轉。典型的雙星系統(tǒng)成員——兩顆恒星圍繞一個共同的引力中心旋轉——因為它們相隔非常遙遠，要花數(shù)月或數(shù)年才運行完一圈。科學家估計，這顆伴星也一定是一顆質密天體，很可能是另一顆中子星。赫爾斯和泰勒發(fā)現(xiàn)了第一顆脈沖雙星。

在赫爾斯和泰勒的發(fā)現(xiàn)提出之前，科學家就推斷，在一顆雙星中出現(xiàn)的超新星，會摧毀這顆伴星。但赫爾斯發(fā)現(xiàn)的這顆脈沖星，似乎是雙星系統(tǒng)的成員，在這個系統(tǒng)中，兩顆恒星都成了超新星而并沒有相互摧毀。泰勒意識到，由于中子星如此巨大，一對中子星靠得這樣近運行，會扭曲空間“織物”而足以產生巨大的引力波。這些引力波會從這兩顆恒星帶走能量，使它們逐漸相互呈螺旋形相對運行。泰勒預計，經(jīng)過數(shù)月或數(shù)年的周期，這種變化就會變得可測。愛因斯坦的廣義相對論可用于計算這些軌道收縮的速度。

赫爾斯畢業(yè)后開始了另一個領域的研究，但泰勒還繼續(xù)觀察那顆后來被稱為“赫爾斯一泰勒脈沖星”的恒星。到1978年，泰勒已收集了足夠多的資料，顯示赫爾斯一泰勒脈沖星及其伴星每年相對移動大約1米，與愛因斯坦的預言大體上一致。1993年，赫爾斯和泰勒也因此被授予諾貝爾物理學獎。

盡管這個證據(jù)支持引力波的存在，但由脈沖星產生的引力波很微弱，在地球上很難被測到?？茖W家估計，在大約2億年內，脈沖星將與它的伴星相撞，會產生非常強烈的引力波爆發(fā)，那時，地球上就可以測到這些引力波了。中子星與其他如黑洞這樣的質密天體相撞而引發(fā)的空震，正是引力波天文臺要探測的干擾形態(tài)。兩個黑洞間的碰撞會產生可以想象的最強大的引力波。如果這樣的碰撞發(fā)生在距離地球大約3億光年之內，激光干涉儀引力波天文臺都能探測得到。

然而，對引力波研究來說，科學家認為這樣的碰撞并不普遍。他們估計，激光干涉儀引力波天文臺每年可能觀測不到一次這樣的爆炸，更不必說頻繁地觀測到對撞中子星的引力波了。

建造與運作

激光干涉儀引力波天文臺是美國麻省理工學院的物理學家倫納·維斯的杰作。20世紀70年代初，他第一個提出建造這樣的裝置。激光干涉儀引力波天文臺的靈敏度不僅比約瑟夫·韋伯的探測器高數(shù)百萬倍，而且可檢測更寬頻率的引力波。

激光干涉儀引力波天文臺實際上是一臺巨大的干涉儀。干涉儀利用一對光線來進行極其精確的測量，這種光線由長度小于10^-6米的微小能量波組成。光線能夠用于這樣的目的，是因為當兩根完全相同的光線通過不同的路徑走完同樣的距離后結合在一起時，它們的波完全匹配。但如果兩條光線走過路徑的長度之差不足波長的一小部分時，就會相互干涉。一臺精心設計的干涉儀能夠將兩條光線路徑的長度與波長的一小部分進行比較。

1991年，美國國會批準投資建設激光干涉儀引力波天文臺，1996年開始動工興建。激光干涉儀引力波天文臺的主要儀器包含在兩根直徑約1.2米，長4000米的管道中。這兩根管道相互呈直角，形成一個巨大的“L”。這種形狀利用了引力波的四極特性。每根管道必須抽成真空，以便減少分散光波，保證測量數(shù)據(jù)的真實性。

當激光干涉儀引力波天文臺開始運轉的時候，激光會打在一個置于“L”交叉點的分光板上。這個分光板是一面特殊的反光鏡，設置成與激光束呈45°。鏡面讓1/2的光線穿過“L”的一條“腿”，而另1/2則被反射進入另一條“腿”。在每條“腿”的端點上，是一面完全反射鏡，它們把光送回放置在分光板前面的特殊反射鏡上。這面反射鏡讓小部分光通過分光板打在它上面，而將余下的光送回完全反射鏡。這樣，每條“腿”里的光束在返回分光板之前會來回反復多次。光束走得越遠，這個儀器測量的靈敏度就越高。因為兩條光束路徑間的任何區(qū)別，在長距離中會更加顯而易見。

在分光板上，來自兩條“腿”的光束在這里會合。因為光進入激光干涉儀引力波天文臺時被仔細調整，只要兩條光束都走過完全相同的距離，光波會在分光板外面相互抵消。但如果距離與光波波長哪怕有一點不同，光束相互也會有一點不同步，使一些光能夠滲入光探測器。穿過激光干涉儀引力波天文臺的引力波，會產生暫時改變兩條“腿”中反射鏡之間距離的效應。這樣，任何溢出探測器的額外的光，都將表明這有可能就是引力波。

識別真實的信號

像激光干涉儀引力波天文臺一樣靈敏的儀器，有一個致命的敵人——震動，微弱的地顫，汽車開過，或者高噪音機器，都可能刺激這臺儀器，使其發(fā)出錯誤的信號。這就是兩個激光干涉儀引力波天文臺要選建在工業(yè)、交通或者地殼運動都很少的邊遠地區(qū)的原因。盡管如此，激光干涉儀引力波天文臺還得防止哪怕是最小的運動，至關重要的部件都安裝在由多層彈簧支撐的平臺上，可減少大約100萬次震動。即使有這些措施，科學家預計，激光干涉儀引力波天文臺還是會收到1分鐘1次的錯誤信號。

為了鑒定出真實信號，兩個激光干涉儀引力波天文臺相距3030千米，引力波要花大約1%秒的時間走完這個距離。這樣，只有在這個時間間隔內出現(xiàn)在兩個天文臺的信號，才會被認為是引力波可能的信號?？茖W家認為，這兩個天文臺同時收到錯誤信號的幾率為大約每10年1次。

盡管探測引力波的工作異常復雜，激光干涉儀引力波天文臺的科學家對尋找這類信號卻充滿了奇思妙想。由于兩個質密天體彼此呈螺旋形相對運動，因此在兩個天體相撞之前，就會發(fā)出最強的引力波?？茖W家把他們預期在碰撞前就能看見的這種波型稱為“唧唧聲”。科學家已用計算機模擬這些波型，不過他們十分樂觀地認為，這些“唧唧聲”不會是激光干涉儀引力波天文臺即將探測到的唯一的信號。在過去的50年里，雖然科學家已學會探測和研究不同形式的電磁輻射——無線電波、紅外線和紫外線，以及X射線和伽馬射線，但最有意義的發(fā)現(xiàn)，從來都是那些意想不到的東西。

要對天文學真正有用，激光干涉儀引力波天文臺就必須提供使研究者能夠弄清引力波究竟來自何處的數(shù)據(jù)。而兩處天文臺測得的信號之間的時間間隔，將提供引力波方向的線索。如果兩處天文臺的行程同步，那就意味著引力波在沿與連接這兩臺探測器的連線垂直的方向移動；如果兩個信號到達的時間間隔1%秒，引力波就是在沿平行于那條連線的方向移動。而如果引力波在第三地被探測到，科學家就可以利用一種被稱為三角測量的數(shù)學技術，來確定引力波究竟源自天空中的什么地方。這樣，幾臺探測器將形成一個全球網(wǎng)絡來運行。

許多科學家都盼望開始搜尋引力波，但并不想僅僅研究巨大天體的碰撞。人們相信，自宇宙大爆炸后的一瞬間開始，引力就一直扮演著重要的角色。許多天文學家認為，正是這次劇烈的膨脹誕生了宇宙，而激光干涉儀引力波天文臺可能透露出它與之邂逅的蛛絲馬跡。自2001年以來，天文學家利用所有能夠利用的儀器，依賴可觀測宇宙中天體發(fā)射的電磁輻射來研究這個問題。因為引力波并不是電磁輻射的一種形式，所以天文學家無從研究混沌初開時可能就有的、大碰撞產生的引力波。許多科學家認為，像激光干涉儀引力波天文臺這樣的觀測設備，有可能探測到自大爆炸后的瞬間就開始存在的引力波，這為天文學家研究宇宙的發(fā)展提供了一個重要的新工具。

引力波成為天文學家用來了解更多宇宙知識的又一個工具。像激光干涉儀引力波天文臺及其更強大的繼任者一樣儀器，可能開啟了宇宙的一扇新的窗戶，有助于解開宇宙中一些最深層次的秘密。