邢鴻飛/編譯

引力波：LIGO鍛造成功之路

邢鴻飛/編譯

LIGO探測(cè)到的產(chǎn)生引力波的兩個(gè)黑洞碰撞（計(jì)算機(jī)模擬圖）

●空間-時(shí)間漣漪的歷史性發(fā)現(xiàn)證明，科學(xué)家們捕捉到的絕非虛假信號(hào)。

2015年9月14日，當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午11:51，一封自動(dòng)發(fā)出的電子郵件出現(xiàn)在德國(guó)漢諾威馬克斯·普郎克引力物理學(xué)研究所的物理學(xué)家馬可·德拉戈（Marco Drago）的收件箱里。郵件內(nèi)有兩個(gè)標(biāo)繪圖的鏈接，每一個(gè)都顯示了形狀像鳥(niǎo)鳴的“唧唧聲”的波，在嘈雜的聲音背景里突然出現(xiàn)，又瞬間結(jié)束。

這個(gè)信號(hào)正是德拉戈一直以來(lái)工作中需要探測(cè)的信號(hào)，也是他所就職、由美國(guó)牽頭的LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）成立的監(jiān)測(cè)對(duì)象：當(dāng)兩個(gè)黑洞碰撞時(shí)在時(shí)間-空間中產(chǎn)生的信號(hào)漣漪，同時(shí)黑洞碰撞后形成重力下沉。在此之前，從來(lái)沒(méi)有人直接探測(cè)到引力波，也沒(méi)有探測(cè)到黑洞合并。兩個(gè)標(biāo)繪圖，分別來(lái)自LIGO位于華盛頓州和路易斯安那州的兩臺(tái)同樣的引力波探測(cè)器，它們將繼續(xù)創(chuàng)造歷史。

2月11日，LIGO科學(xué)合作組織宣布，他們首次探測(cè)到由13億光年之外的兩個(gè)黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波。此次發(fā)現(xiàn)距阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在他的廣義相對(duì)論研究中預(yù)測(cè)引力波整整100年。LIGO實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任戴維·賴(lài)茨（David Reitze）在華盛頓特區(qū)召開(kāi)的新聞發(fā)布會(huì)上大聲宣布：“我們找到了（引力波）！”

除了有可能因此獲得諾貝爾獎(jiǎng),LIGO的發(fā)現(xiàn)還開(kāi)啟了引力波天文學(xué)領(lǐng)域。在這一新領(lǐng)域中，科學(xué)家們將用“聆聽(tīng)”波的方式來(lái)更多地了解宇宙。

2015年九月的那個(gè)早晨，德拉戈沒(méi)有想當(dāng)然地認(rèn)為他看到的是一個(gè)黑洞合并發(fā)出的“唧唧聲”?！昂苊黠@這個(gè)聲音非同尋常。”他說(shuō)。然而標(biāo)繪圖也可能是LIGO的研究者們?nèi)藶檩斎胗糜跍y(cè)試探測(cè)器的信號(hào)。德拉戈說(shuō)：“我到同事安德烈·朗格（Andrew Lundgren）的辦公室，問(wèn)他是不是知道有人輸入了假信號(hào)。”

朗格很快檢查了數(shù)據(jù)記錄，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)人為的痕跡。接著，德拉戈給所有LIGO的成員（全球有千名研究人員）發(fā)出一封電子郵件，想聽(tīng)聽(tīng)他們的意見(jiàn)。

德拉戈和朗格的上司，物理學(xué)家布魯斯·艾倫（Bruce Allen）當(dāng)時(shí)正在開(kāi)會(huì)，他午飯結(jié)束后才過(guò)問(wèn)此事。后來(lái)他說(shuō)：“我一點(diǎn)開(kāi)郵件看到，‘咳，這就是一個(gè)輸入信號(hào)，很明顯?！?/p>

數(shù)小時(shí)后，大西洋另一端的合作者們開(kāi)始關(guān)注到這封郵件，他們當(dāng)中有MIT的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家雷納·維斯（Rainer Weiss），他是LIGO合作組織的主創(chuàng)人。“當(dāng)我開(kāi)始查看這些波形時(shí)，我覺(jué)得它們很特別?！彼f(shuō)道。

對(duì)很多科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，信號(hào)的時(shí)間似乎太完美而顯得不真實(shí)：LIGO剛剛完成了對(duì)設(shè)備儀器的五年期升級(jí)。而且，LIGO合作組織允許小部分成員可以輸入假信號(hào)，或者不透露信號(hào)是否真實(shí)還是模擬，以檢測(cè)研究小組成員們的反應(yīng)。然而LIGO發(fā)言人、路易斯安那州立大學(xué)物理學(xué)家加布里娜·岡薩雷斯（Gabriela González）表示，即使是這樣的一個(gè)“無(wú)識(shí)別輸入”也應(yīng)該會(huì)在數(shù)據(jù)中留下一些痕跡。

經(jīng)過(guò)一整天的電話(huà)和郵件溝通，她確認(rèn)沒(méi)有人輸入假信號(hào)，并將此結(jié)果告知所有成員。

直到那一刻，LIGO的三位創(chuàng)始人維斯、加州理工學(xué)院的基普·索恩（Kip Thorne）與羅納德·德雷弗（Ronald Drever）意識(shí)到，延續(xù)了四十年的夢(mèng)想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。但還沒(méi)有到舉杯慶賀的時(shí)候。在向全世界宣布這一重大發(fā)現(xiàn)之前，LIGO還有更多工作需要去做。索恩說(shuō)：“當(dāng)天晚上在家里，我只是對(duì)著自己笑了笑以示慶祝，因?yàn)槲疫€不能告訴我的夫人?！?/p>

岡薩雷斯和她的團(tuán)隊(duì)決定先收集一個(gè)月的數(shù)據(jù)再開(kāi)始完整的分析：科學(xué)家們需要記錄探測(cè)器上出現(xiàn)的自然噪音，用以對(duì)比“唧唧聲”。他們的分析結(jié)論是，發(fā)出大聲波紋噪音的機(jī)會(huì)太小，也就是路易斯安那州和華盛頓州同一時(shí)間探測(cè)到的同樣聲波模式，發(fā)生幾率小于203 000年一次。

艾倫介紹說(shuō)，為了盡可能提取足夠的信息，研究人員們接著進(jìn)行了漫長(zhǎng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬。模擬實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，該數(shù)據(jù)與愛(ài)因斯坦1915年廣義相對(duì)論中的預(yù)言完美吻合，過(guò)去幾十年中人們所做的理論工作使得物理學(xué)家們?cè)敱M地理解了該理論的意義。

從波紋上，研究人員們能夠推斷一個(gè)黑洞的質(zhì)量大概相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的36倍，另一個(gè)相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的29倍。兩個(gè)黑洞各自繞軌道運(yùn)行，在波動(dòng)的模式里，它們扭曲時(shí)間和空間的紋路。那些波動(dòng)接著作為引力波傳輸?shù)接钪?，需要大約13億光年，在移動(dòng)過(guò)程中伸拉或擠壓空間。

LIGO兩臺(tái)同樣的干涉儀將鐳射光束投射在四公里長(zhǎng)、呈直角鋪設(shè)的真空管兩端的鏡子上。通過(guò)的引力波會(huì)以不同的方式改變真空管的長(zhǎng)度，引起鐳射光束不同步的輕微變化。9月14日由黑洞碰撞發(fā)出的波到達(dá)的時(shí)候，它們已經(jīng)成了輕微的漣漪，改變了管子的長(zhǎng)度，接近10的21次方分之一。

盡管兩個(gè)黑洞可能彼此繞軌道運(yùn)行了數(shù)百萬(wàn)年，LIGO也只是在它們達(dá)到每秒35周（赫茲）的頻率才能捕捉到它們的波。這個(gè)頻率很快升到250赫茲。收到的信號(hào)變得混沌并迅速消失。整個(gè)過(guò)程不到四分之一秒。關(guān)鍵的是，兩個(gè)探測(cè)器幾乎同一時(shí)間探測(cè)到這一信號(hào)：路易斯安那州的利文斯頓先測(cè)到，七毫秒之后，華盛頓的漢福德再次測(cè)到。七毫秒的延遲說(shuō)明光順利地通過(guò)地球。

接下來(lái)的工作是要撰寫(xiě)論文。這要求千余名研究人員對(duì)于每一個(gè)細(xì)節(jié)都一致接受，來(lái)自MIT的LIGO總探測(cè)器科學(xué)家彼得·福瑞斯特（Peter Fritschel）透露，整個(gè)溝通過(guò)程有約五千封電子郵件。1月21日，研究小組提交了論文，發(fā)表在2月11日出版的《物理評(píng)論快報(bào)》，同一天，LIGO就此事在全球召開(kāi)多個(gè)新聞發(fā)布會(huì)。

英國(guó)劍橋大學(xué)物理學(xué)家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）說(shuō)：“這些驚人的觀察結(jié)果證明了大量的理論工作，包括預(yù)測(cè)引力波的愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。”

LIGO的成功為愛(ài)因斯坦開(kāi)創(chuàng)的故事畫(huà)上完美的句點(diǎn)。他從來(lái)不相信黑洞的存在。但是，法國(guó)高等科學(xué)研究所的天體物理學(xué)家蒂博·達(dá)穆?tīng)枺═hibault Damour）指出，盡管天文學(xué)家們通過(guò)觀察已經(jīng)收集到有說(shuō)服力的證據(jù)證明黑洞，LIGO捕捉到的信號(hào)是“第一個(gè)真正能夠證明黑洞存在的證據(jù)。”

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：遙醒]