邁克爾·謝加爾+晨飛

一個天體以非同尋常的運動模式快速劃過天空，齊雅拉·明格瑞利和她的伙伴們，在安大略的一片鄉(xiāng)村田野里看到了它，那里是他們的夜間觀測站。解釋很清楚：外星人。她下一步要做什么也很明確，就是飛快地跑回家，向父母解釋自己所處的又一個不安全環(huán)境：她在凝視一艘外星飛船時有人看到了她。

童年的經(jīng)歷為明格瑞利一生熱愛天文學奠定了基礎。今天，她仍然在向天空張望，但是要看得更遠。她的專長是搜尋引力波，尤其是處在納赫茲頻率波段的那些引力波（LIGO最近檢測到的引力波，頻率比這一波段高出萬億倍）。她目前在LIGO項目的領導機構之一加州理工學院供職，讓她帶著我們領略最近引力波檢測實驗的突破所帶來的興奮和含義，非常合適。

問：您對LIGO檢測到引力波是什么反應？

答：哦，我的天吶！我簡直高興極了。您知道，這簡直太好了，好得讓人難以相信是真的。因為我們總是在說，5年到10年之內(nèi)，我們會檢測到一些東西。不是嗎？我們總是這么說，而現(xiàn)在等待終于結束了。我們終于可以說：“哦，我們已經(jīng)檢測到了一些東西，這很不可思議！”這種感覺非常棒。我認為這會催生天文學里的一個全新的分支，專事檢測引力波。或許10年之內(nèi)，我們可以用脈沖星計時陣列檢測到引力波，并且享受同樣的歡慶和熱鬧。我覺得大家（尤其是公眾）對這件事的反應是壓倒性的，人們對這一結果非常感興趣，對這種認識宇宙、時間、重力和時空漣漪的新方式非常感興趣。所以我欣喜若狂！這簡直令人難以置信。

這兩個黑洞的質(zhì)量分別是太陽質(zhì)量的29倍和36倍，這一點很令人驚訝。從第一天開始，為LIGO 實驗做概率預測的人們就說，我們會首先檢測到兩個中子星間的碰撞，因為這一現(xiàn)象更常見。但事實是，我們首先看到了雙黑洞，而且它們的質(zhì)量特別大，這太瘋狂了！這就是這一類發(fā)現(xiàn)的美好之處，它總是會帶給你驚喜。現(xiàn)實比你能夠想到的更酷，我希望脈沖星計時陣列也能獲得這樣激動人心的結果。

問：加州理工學院的其他科學家對LIGO檢測到引力波有怎樣的反應？

答：加州理工學院的艾倫·韋恩斯坦教授告訴我，說他在接到電話通知時，是持懷疑態(tài)度的，因為整個研究團隊都無法相信那是真的。他們搜尋引力波已經(jīng)幾十年了。起初他們認為這是一個盲測，有人在他們不知道的情況下人為輸入了一個信號。然后，他們又認為這或許是一個雙盲實驗，因為看上去沒有人知道到底發(fā)生了什么。不管是誰輸入了這個信號，他都沒有告訴任何人，這將是一個巨大的秘密，還不能算作一個真實信號。但是最后，所有人都發(fā)誓說他們沒有輸入信號，因此研究團隊開始思考：“哦，我的天吶，這可能是真的！”這時候艾倫想，或許這是一個三重盲測實驗，也就是說有黑客入侵了系統(tǒng)，擦除了自己的操作痕跡，在鏡面上產(chǎn)生了完美的引力波信號?；蛟S沒過幾個月就有人宣稱自己設計策劃了這一事件，以羞辱整個研究團隊。當然艾倫也承認，這個信號是雙黑洞合并的可能性，要比有人擁有這一級別的電腦黑客水平并且有興趣入侵LIGO的可能性要大得多。

問：LIGO的結果為什么很早就被泄露了？

答：我認為有很多途徑會導致信息泄露。最簡單的就是，有人復印了一份文稿，但把它忘在了復印機上，其他人看到之后，用手機拍照并且發(fā)送給了朋友。你知道的，這種事情的發(fā)生誰都無法控制。有很多種方式會導致意外，造成信息泄露。另外，這一發(fā)現(xiàn)實在太令人激動了。如果你剛剛找到證據(jù)支持愛因斯坦的引力理論，怎么可能不想告訴你的朋友這一重大發(fā)現(xiàn)？畢竟這項檢測已經(jīng)花了整整100年時間。

我看到的一項估計聲稱，國家科學基金會（NSF）已經(jīng)向LIGO項目撥款十多億美元。這是一個真正昂貴的實驗，而它的目的只有一個，就是檢測到引力波。如果在幾十年的嘗試之后這個目的終于達到了，你當然會打電話給別人，說：“天吶，您猜猜剛發(fā)生了什么？”一項有基礎性重大意義的發(fā)現(xiàn)剛剛產(chǎn)生了，你可能會因此獲得諾貝爾獎，你會很自然地想要告訴其他人，不是嗎？所以，我覺得讓所有人都對這一發(fā)現(xiàn)保持沉默實在是太難了，當然會有一些信息泄露。

引力波同樣可以拉伸和壓縮時間。為什么在LIGO的檢測里我們找不到這一方面的內(nèi)容？

答：第一件要注意的事情是，廣義相對論是一套關于時空的理論。在時空理論中，空間和時間是一個量。為了描述空間和時間，我們需要建立一個參考系，因此我們需要挑選一個坐標系統(tǒng)。一旦這個坐標系統(tǒng)建立起來，就有很多種不同的方式來描述其他的參考系如何移動。我們通常選擇一個非常簡單的參考系來建立這一坐標系統(tǒng)，在這一參考系里沒有時間組分（但是這并不意味著它不能夠包括時間，而只是意味著我們選了一個不用考量時間的參考系。你可以旋轉這個參考系，重新將時間組分包括進來。這么做的原因很重要，如果我們選擇一個描述性的參考系，這個參考系有時間膨脹效應，解釋起來就很困難，并且無法做到直觀。為了有一個確實清晰的理論，我們選擇了引力波橫向的參考系）。也就是說，如果坐標系從我的額頭位置經(jīng)過，而引力波從正交方向經(jīng)過，就會拉伸和壓縮時空。這就是引力波的兩種不同極化方式。這時候你就可以認為有了時間膨脹，并且可以通過數(shù)學語言來描述它，但這么做并不直觀。

選擇一個適當?shù)膮⒖枷祦砻枋鲆Σㄐ⒉皇且患菀椎氖?，很多研究者在這上面都犯了錯誤。讓引力波橫向通過參考系，讓質(zhì)量自由落在參考系上，產(chǎn)生引力波效應，測量空間扭曲，這是一種非常直觀的思考方式。但是你也可以認為實驗激光產(chǎn)生了時間膨脹效應，這是由鏡面被拉伸和壓縮造成的。從這個角度講，你也可以認為這項實驗測量的是時間膨脹效應，信號抵達的時間在一定程度上被延遲了?；蛘吣憧梢哉J為這項實驗在空間里受到了拉伸和壓縮，不得不進行遷移，然后在光線重新匯集的時候捕捉到了信號。

問：我們處在一個恒定的引力波背景當中嗎？

答：引力波和物體之間的相互作用非常弱，因此，我們事實上正處在一個由引力波構成的背景當中。如果想要更具體一些，給出一個例子，就讓我們來看看特大質(zhì)量黑洞的雙黑洞合并。當一個星系與另一個星系合并的時候，兩者擁有的特大質(zhì)量黑洞會相互融合，產(chǎn)生一個新的黑洞。這一事件已經(jīng)發(fā)生了數(shù)十億年。因此，宇宙中不只是擁有單個的、由獨立系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波，而是擁有整個引力波背景，就像波濤洶涌的大海。引力波從各個方向傳來，互相產(chǎn)生干擾，因此就使得引力波背景具有了像波濤洶涌的大海一樣的模式。

目前，對這種信號的樣子我們已經(jīng)有了非常好的理解，尤其是在脈沖星計時陣列里。這些估計值來自不同星系合并時的信號。因此，合并的星系越多，背景也就越高。它同時也取決于星系中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。黑洞的質(zhì)量越大，背景就越強。在不檢測引力波背景的情況下，我們也可以設定上限，只要背景達到了這個水平，我們就可以檢測到它。但因為我們還沒有檢測到任何信號，就可以排除那些聲稱宇宙中每個星系中間都具有100億倍太陽質(zhì)量大小的黑洞的假說—如果這一假說正確，我們早就可以檢測到它們產(chǎn)生的信號了。我們可以以這種方式繼續(xù)排除假說，直到我們檢測到信號。因此，這個上限可以通過我們無法看到的東西揭示關于宇宙的有趣信息。

問：早期宇宙中有引力波背景嗎？

答：事實上，早期宇宙的引力場中有量子波動，這就產(chǎn)生了原始的引力波，這也是非常有趣的。這些量子波動產(chǎn)生了原初引力波，而這些原初引力波在宇宙膨脹時期就被摧毀了。我們現(xiàn)在可以尋找這些原初引力波，它們從某種程度上來講類似于宇宙微波背景輻射。這就是可以利用LIGO極限的實驗之一。我們可以利用宇宙微波背景實驗的上限以及脈沖星計時陣列實驗的上限，給不同的膨脹理論增加約束條件，從而排除一些理論。或者說，我們目前獲得的證據(jù)無法支持這些理論。原初引力波是非常有趣的，也是我目前正在參與的一個活躍的研究領域。

問：引力波有什么樣的頻率？

答：引力波譜非常廣，我們認為在很多波段都可以找到引力波—頻率甚至可以低至10- 16赫茲。LIGO的信號來源是引力波譜的上限，它的頻率在1000赫茲左右。千赫茲譜帶是一個非常有趣的譜帶，從幾十赫茲到1000赫茲，它們的信號是可以被聽到的，這也就是研究人員在描述LIGO信號時會發(fā)出一種輕快流暢的擬聲的原因，就像是“啾”的一聲。當引力波沿著時間走遠的時候頻率會增加，因此會發(fā)出這種獨特的信號。

我研究的引力波處在納赫茲的頻率帶，也就是1赫茲的十億分之一。它比次聲波還要低，而且它們不會發(fā)出啾聲，因為它們還沒有走到生命的盡頭。這種啾聲只在合并的最后階段產(chǎn)生，因為這一階段的頻率會急劇增加。舉例來說，在兩個星系合并的時候，位于星系中心的兩個特大質(zhì)量的黑洞也發(fā)生合并，它們發(fā)出的引力波如果處于納赫茲頻率帶，我們是可以聽到的，但不是悅耳的啾聲，而更像持續(xù)穩(wěn)定的嗡嗡聲。

LIGO的信號來源是質(zhì)量為太陽質(zhì)量10倍左右的天體，以及中子星等處于它們生命最后時期、正在內(nèi)旋的致密天體;而納赫茲引力波實驗檢測的是來自更大天體的信號，比如超大質(zhì)量黑洞。在它們內(nèi)旋的早期，這些黑洞的質(zhì)量可以達到太陽質(zhì)量的100萬倍甚至10億倍。

問：如果這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎，只頒獎給幾個人公平嗎？

答：諾貝爾獎評獎委員會有規(guī)定，該獎項只頒給在其領域內(nèi)有突出貢獻的個人。我認為這一點最終是需要修改的，因為現(xiàn)在的研究都是大型實驗，比如大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。事實上，在大型強子對撞機，甚至歐洲核子研究中心的實驗中，沒有一項獲得過諾貝爾獎，但是他們應當?shù)玫街Z貝爾獎的承認。另一件奇怪的事是，諾貝爾和平獎頒給了歐盟，這顯然不是頒給個人?；蛟S評獎委員會可以以此為先例，修改諾貝爾物理學獎的評獎條件。不過，這些都只是我個人的觀點和推斷，我沒有任何關于諾貝爾獎評獎委員會的內(nèi)部信息。但是我認為，這些研究項目，即使不能獲得諾貝爾獎，也應該獲得某種地位象征的嘉獎。評獎委員會應該給予它們某種特殊的承認，或者是永久性的資金支持，或者是具有同等重要性的獎勵，因為LIGO的引力波檢測凝結了1000多位科學家的心血。任何一個研究引力波的人最終都會遇到LIGO，并且成為LIGO科學合作聯(lián)盟的一員。因此，想要對這一實驗和為其貢獻過心力的所有人進行獎勵，是挺困難的。

問：您對科學的興趣是怎么產(chǎn)生的？

答：我小時候非常喜歡在室外玩，尤其是黃昏的時候。當看見第一顆星星在天空中出現(xiàn)，我覺得它真的美麗極了。我一直很想知道太空里都有什么，我是不是能夠給人類對太空的認識做一點貢獻。可我一個普普通通的人怎么可能做得到這樣偉大的事情？但是我一直對此非常感興趣，而且我認為自己的強項就是從來不言放棄。當我明白黑洞是什么，而且可以把研究黑洞作為一種謀生方式、一種職業(yè)時，我就想，為什么我要去做別的事情？這才是我喜歡做的事情。

所以，我猜我對科學的強烈愛好在小時候思考星星和宇宙時就開始了。我父親是一位數(shù)學家，他問我長大想做什么，我說我真的非常喜歡天文學，但我不想僅僅是觀測星星，我想做用到更多數(shù)學的事情，我喜歡挑戰(zhàn)自己。我問他有沒有天體物理學這種東西，我覺得父親高興得都要叫出聲來了，他實在是太興奮了！他說：“是的，是的，有天體物理學這種東西！哦，我的女兒會成為天體物理學家！”我一直對黑洞很著迷，直到今天也同樣如此。

問：為什么公眾對黑洞這樣感興趣？

答：黑洞具有非常有趣的兩重性。一方面，它們非常簡單，通過它們的質(zhì)量和旋轉就可以對它們進行描述。另一方面，它們又極度復雜，黑洞表面之下是什么？奇點到底是什么樣的？它真的是具有無限曲率的點嗎？它是夸克組成的海洋嗎？它到底是什么樣子？我們對光線接近奇點時的行為有一定認識，但沒有人知道它真正是什么樣的，在黑洞表面之下到底發(fā)生著什么。我覺得它應該就像一直在進行的煙花表演，當物質(zhì)靠近奇點時，它們被移動、被撕裂，釋放出X射線伽馬射線和各種電離輻射，這些都會立刻導致我們死亡。但它到底是什么樣的？

《星際穿越》中的黑洞吸積盤

我試圖將它想象為一個噴泉，光線噴射出來，然后在接近黑洞表面的時候又落回原處。但是也可能會有簡單的運動，這些運動具有各種奇怪并且美好的軌道，而奇點就位于中心。如果黑洞在旋轉，奇點實際上就應該是一個環(huán)，而不是一個點。有一些理論認為我們可以通過這些環(huán)形的奇點到達不同的現(xiàn)實世界，即平行宇宙。但這里的推測性太強了，當然，如果我們看看描述黑洞表面之下的、數(shù)學公式，奇點之后確實是宇宙的一個副本，但這并不意味著這是一個不同的宇宙，或者能夠通向一個不同的宇宙。并且，奇點周圍的時空會變得非常不穩(wěn)定。所以，這很可能只是數(shù)學上的一種僥幸，但它也可能是其他什么。

這些都是黑洞會如此迷人的原因。所有這些關于引力、黑洞或者五維空間的理論，都能很好地觸動你的好奇心，讓你考慮一些在去雜貨店或是在電腦上打手稿時不會去想的問題。很多東西都需要大量的想象，而這正是它有趣的地方。另一方面，黑洞看上去可能是我們能夠描述的最簡單的物體了。如果您夠幸運，還可能看到一個伴隨體向黑洞貢獻質(zhì)量。這時你就會看見X射線從黑洞周圍的吸積盤脫離，因為X 射線相對來說很輕—通過太空探測器你就可以看到這些。這很酷，不是嗎？

問：《星際穿越》中對黑洞的塑造正確嗎？

答：這部電影里有關黑洞的鏡頭是最棒的。我是說，卡剛都亞（電影中黑洞的名字）的視覺效果絕對震撼。這個黑洞事實上是真的。他們塑造卡剛都亞視覺效果的方法，是把愛因斯坦的場理論公式放在超級計算機上進行模擬，解決了科學家都很難解決的問題。我們沒有足夠的資金去購買超級計算機的運行時間，但是這部電影做到了！他們在超級計算機上跑完所有的模擬，獲得了將近1000兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)整合起來，制作出了卡剛都亞的視覺效果。電影中，卡剛都亞還向我們呈現(xiàn)了圍繞黑洞的第二個環(huán)，但事實上，這個環(huán)只是它后面吸積盤的透鏡效果。這是我們之前從來沒有看到過的，但如果你想一想，就會覺得它很有道理，只是之前從來沒有人想過它看上去會是這個樣子，因為我們都習慣于在二維平面上去看這些事物。我們畫出的時空是一張平面網(wǎng)格，黑洞就是網(wǎng)格中的一個井，如果我們移動這個二維平面，就會看到黑洞是一個挺大的凹陷。但是想象它在三維空間的樣子，或者看見它在三維空間的樣子，看見它對光線的作用效果，是很震撼的。這部電影對這一方面的貢獻功不可沒，簡直太美了。

問：在科學這個男性主導的領域里，作為一名女性，您有什么樣的體驗？

答：這是一個很難回答的問題，因為沒有正確或者錯誤的答案，也沒有哪種答案會讓我受歡迎。事實上，作為一名女性，在科學界確實要面對很多困難，而造成這些困難的原因也是很多的。其中一個原因是，人們對科學家應該是什么樣子有一個先入為主的看法，這些看法里會有隱含的性別歧視。哈佛大學做過一項隱形性別歧視測驗，發(fā)現(xiàn)公眾會更加尊重男性科學家。我甚至也是這樣！承認這種偏見的存在是我們擺脫它的一種途徑，它會提醒你嘗試克制這種觀念。我是不是真的在客觀地看待對方的工作？有沒有什么因素干擾了我的判斷？我怎樣才能削弱這種影響？

問：在與對科學感興趣的年輕女性的交談中，您了解到了什么？

答：這取決于她們上的是女子學校還是混合制學校。在我的經(jīng)驗里，在女子學校上學的女孩子從來沒有想過自己不可以成為科學家或者領導者。她們都很樂于提問題，都顯示出興趣。雖然并不是所有人都對科學有興趣，但也有一定比例感興趣的，這很正常。然而，我發(fā)現(xiàn)在混合制學校里，如果我們開展宣講科學的活動，男孩子總是到前面來，女孩子會在后面，并且羞于舉手提問題。男孩子會覺得他們有資格站在前面，他們能夠問出了不起的問題，這簡直就是他們的工作職責，哪怕有時候他們的問題非常可笑。

希望這種劃分將來會消失，我們不需要對女孩子進行單獨教育才能消除性別歧視在非常早期就對她們產(chǎn)生的影響。當然，不可能所有人都像我小時候一樣對黑洞感興趣，但是她們或許能找到其他自己感興趣的東西，成為地質(zhì)學界、語言學界或者其他任何她們想要從事的領域中的我。

問：如果您沒成為科學家，現(xiàn)在會做什么？

答：我可能會成為一名語言學家吧。我會說四種語言，三種很流利。我是在意大利讀的碩士學位，在西班牙住了一段時間，學了西班牙語。我在渥太華長大，上的是法語學校。所以我的英語、法語和意大利語挺不錯，西班牙語也還可以。但我從來沒有把這當成一種職業(yè)來追求，因為這太容易了，我覺得做這么容易的事情有點投機取巧。我當時的想法是，如果我做語言學家，這太簡單了，如果我真的挑戰(zhàn)一下自我，會有什么樣的成就？但是語言學和科學一樣，也有自己的一套邏輯規(guī)則和結構，尤其是當你追溯到拉丁語的時候。我覺得語言學的一套東西非常有趣，所以我或許可以把自己對科學的好奇心、對分析的熱愛和追本溯源的精神，運用到語言學一類的東西上去。