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        來自宇宙的聲音——引力波

        2021-09-22 19:22:37馬庫斯·喬恩/著楊泓/譯
        現(xiàn)代閱讀 2021年9期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        [英]馬庫斯·喬恩/著 楊泓/譯

        《三體》中的引力波真實(shí)存在嗎?

        在一個(gè)遙遠(yuǎn)的星系中,兩個(gè)巨大的黑洞被鎖定在相互纏繞的死亡旋渦中。就在地球上最復(fù)雜的生物還只是古老的細(xì)菌時(shí),兩個(gè)黑洞完成了最后一次繞轉(zhuǎn),發(fā)生碰撞,合并在了一起。那一瞬間,相當(dāng)于太陽質(zhì)量3倍的黑洞驟然消失了。片刻之后,那些消失的質(zhì)量化作時(shí)空振蕩的海嘯,以光速向外奔涌而出。

        在這短暫的一瞬間,引力波的能量相當(dāng)于宇宙中所有恒星輻射能量總和的50余倍。換句話說,如果黑洞合并不產(chǎn)生劇烈的時(shí)空振蕩,而產(chǎn)生可見光,那么其亮度將是整個(gè)宇宙亮度的50余倍。

        這次的引力波就像池塘水面上的同心漣漪那樣向外擴(kuò)散,沿途沖刷著100萬個(gè)星系,輕搖著100億億顆恒星,撩撥著無數(shù)的行星、衛(wèi)星、小行星和彗星。

        此時(shí),這股滾滾向前的時(shí)空漣漪早已跨越遼闊的宇宙,橫掃銀河系的外緣,涌入了銀河系內(nèi)部的獵戶座旋臂,輕撫了太陽系邊緣冰冷的彗星云,相繼拂過火星、月球和地球大氣層,最后,在歷經(jīng)13億年漫長的太空傳播之后,涌入了某種一直在默默等待的東西。

        2015年9月14日,德國漢諾威

        將近中午時(shí)分,聽見“?!钡囊宦暎陔娔X前的馬可·德拉戈知道,有電子郵件到了,但他正忙著寫一篇科學(xué)論文,沒有立即查看郵件內(nèi)容。

        2015年9月14日,星期一,本來這一天對(duì)于德拉戈來說與平日沒有什么不同。他離開位于諾德施塔特的公寓,步行10分鐘,來到了馬克斯·普朗克引力物理研究所。通常在早上9點(diǎn),德拉戈就到了一樓的辦公室,坐在筆記本電腦前查看前一天晚上收到的郵件。LIGO-Virgo合作項(xiàng)目涉及不同國家和地區(qū)的大約1000人,不同地域的人之間有著時(shí)間差,這意味著電子郵件溝通是不間斷的。

        前一年,德拉戈從意大利維羅納附近的特倫托大學(xué)來到德國。他在馬克斯·普朗克引力物理研究所做博士后時(shí),在監(jiān)控一種計(jì)算程序,它用來分析美國的兩個(gè)LIGO引力波探測(cè)器以及歐洲的Virgo引力波探測(cè)器的輸出信號(hào),以從中篩選出可能是引力波的觸發(fā)信號(hào)。

        德拉戈打開了未讀郵件。在意大利比薩附近的Virgo探測(cè)器還沒有投入運(yùn)行,所以只有兩個(gè)附件,一個(gè)來自美國路易斯安那州的利文斯頓,另一個(gè)來自華盛頓州的漢福德。

        在利文斯頓的LIGO是一把長達(dá)4000米的激光“尺”,而3000千米外的漢福德也有一把同樣的激光“尺”。當(dāng)?shù)吕挈c(diǎn)擊打開兩個(gè)附件,并讓二者一上一下分屏顯示時(shí),他注意到在東部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間早上5點(diǎn)51分,利文斯頓的尺發(fā)生了顫動(dòng),7毫秒——還不到1秒的1%——之后,漢福德的尺也發(fā)生了完全相同的顫動(dòng)。顫動(dòng)顯示為從左到右的蛇形線條,線條上下對(duì)稱的偏移完美地反映了超級(jí)尺的伸縮。在大約1/10秒的時(shí)間里,擺動(dòng)變得越來越快,越來越強(qiáng)烈,在達(dá)到最大值后,快速消失。

        毫無疑問,這就是一掠而過的引力波的標(biāo)志信號(hào)。這列引力波來自一對(duì)合并中的黑洞。但是,這個(gè)事實(shí)對(duì)于德拉戈來說太荒謬了,他一絲一毫都不相信自己看到的就是引力波信號(hào)。

        盡管這個(gè)LIGO已經(jīng)運(yùn)行1個(gè)月了,但其仍在進(jìn)行工程升級(jí),以提高靈敏度,并且要到4天后的9月18日才開始按計(jì)劃進(jìn)行科學(xué)探測(cè)工作。德拉戈在想,開機(jī)時(shí)間才這么短,探測(cè)到引力波的可能性有多大呢?可能性幾乎為零。

        這并不是引起德拉戈警覺的唯一事情。引力波極其微弱,原因很簡(jiǎn)單,萬有引力極其微弱,與把人體原子黏合在一起的電磁力相比,只有后者的1/1040。

        這等于說,時(shí)空是非常堅(jiān)硬的——比鋼鐵還硬1027倍。振動(dòng)鼓面很容易,但要振動(dòng)時(shí)空的鼓面卻非常困難。盡管在空中揮揮手也會(huì)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生漣漪,但只有難以想象的最劇烈的物質(zhì)運(yùn)動(dòng),比如黑洞的合并,才能產(chǎn)生足以被21世紀(jì)的技術(shù)探測(cè)到的引力波。

        然而,黑洞合并很可能是非常罕見的,這意味著產(chǎn)生引力波的事件很可能都發(fā)生在宇宙中離我們非常遙遠(yuǎn)的地方。引力波在宇宙不可思議的巨大體積里擴(kuò)散,它將被稀釋成無限微弱的漣漪。因此,所有人都預(yù)期,LIGO-Virgo接收到的第一個(gè)信號(hào)應(yīng)該是混雜在背景噪聲里的、只能勉強(qiáng)辨別的微弱信號(hào)。但是,德拉戈在電腦屏幕上看到的信號(hào)一點(diǎn)也不微弱。信號(hào)強(qiáng)大且清晰地顯示在屏幕之上。所以他確信,肯定是弄錯(cuò)了,這一定是個(gè)假警報(bào)。

        為了印證自己的想法,德拉戈來到了一位瑞典博士后同事安德魯·倫德格林的辦公室。當(dāng)來自漢福德和利文斯頓的兩個(gè)相同的波形出現(xiàn)在屏幕上時(shí),兩個(gè)人的意見一致:這是假信號(hào)。

        有兩種假信號(hào)的可能:第一種假信號(hào),是為了測(cè)試儀器的反應(yīng),有時(shí)候,LIGO-Virgo的工程師會(huì)向系統(tǒng)中注入一個(gè)偽信號(hào)。但一定會(huì)注明預(yù)注,然而德拉戈和倫德格林并沒有看到預(yù)注的標(biāo)志;第二種假信號(hào),是為了確保物理學(xué)家能夠區(qū)分真實(shí)的引力波和虛假的人為信號(hào),一個(gè)由物理學(xué)家組成的小團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)進(jìn)行的盲注。

        兩天后,一切都變了。從那個(gè)讓科學(xué)家們時(shí)刻保持警覺的物理學(xué)家小團(tuán)隊(duì)傳來了驚心動(dòng)魄的消息:沒有盲注。

        那天傍晚,德拉戈離開馬克斯·普朗克引力物理研究所回家時(shí),注意到走廊墻上有一幅1米高的愛因斯坦畫像。這位在近一個(gè)世紀(jì)前曾預(yù)測(cè)過引力波存在的偉人,似乎正在調(diào)皮地對(duì)他微笑著說:“我說有,果然有吧?”

        引力波的確認(rèn)與公布

        2015年9月14日之后的數(shù)月里,德拉戈和LIGO-Virgo團(tuán)隊(duì)其他人的工作都繁重而艱巨。清單上列出了一長串的設(shè)備和軟件,每一項(xiàng)都要檢查,以確認(rèn)沒有發(fā)生故障。

        當(dāng)所有這些工作都完成之后,他們得出的結(jié)論是,在漢福德和利文斯頓看到的信號(hào)確實(shí)有可能是隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的,但就概率而言,這種隨機(jī)噪聲需要20萬年才能發(fā)生一次。信號(hào)的真實(shí)性似乎是毋庸置疑的,但還有最后一種可能性,那就是他們看到的是惡意的信號(hào)。

        是否有人非法入侵了兩個(gè)LIGO網(wǎng)站的電腦,并注入了信號(hào)呢?這種可能性很難排除。但調(diào)查小組得出的結(jié)論是,黑客要侵入電腦留下假信號(hào),而且不留下任何痕跡,那就需要對(duì)多個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)了如指掌。

        此時(shí)的德拉戈和同事們正處于一種很少見的狀況,他們知道了世界上其他人不曾知道的事情,歷史上從沒有人知道過的事情。盡管每個(gè)人都宣誓要保守秘密,但當(dāng)涉及來自16個(gè)國家的大約1000人時(shí),就變得很難。

        重大發(fā)現(xiàn)的傳聞不可避免地在科學(xué)界流傳開來。9月25日,亞利桑那州立大學(xué)的勞倫斯·克勞斯在推特上寫道:“有傳言說在LIGO探測(cè)器上發(fā)現(xiàn)引力波的信號(hào)了。如果這是真的,那也太神奇了。如果再有新的進(jìn)展,我將發(fā)布詳細(xì)信息?!?/p>

        2016年初,德拉戈于2015年9月14日首次看到的信號(hào)被命名為GW150914。

        2月11日,新聞發(fā)布會(huì)在華盛頓國家新聞俱樂部舉行,現(xiàn)場(chǎng)提供了關(guān)于該項(xiàng)目的簡(jiǎn)短介紹和視頻,人們的興奮達(dá)到了頂點(diǎn)?!段锢碓u(píng)論快報(bào)》與發(fā)布會(huì)在同一時(shí)間發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)的論文。

        公眾的興趣完全超出了德拉戈的想象。在愛因斯坦預(yù)測(cè)引力波100年后,引力波的發(fā)現(xiàn)成為了重大的國際事件??茖W(xué)獲得了全新的感官,就好比天生耳聾的人突然在一夜之間能聽到聲音了,這就是物理學(xué)家和天文學(xué)家的感受。從古到今,他們都是用眼睛和望遠(yuǎn)鏡“看”宇宙的,而現(xiàn)在,他們第一次“聽”到了宇宙。引力波就是“宇宙的聲音”。

        德拉戈是歷史上第一個(gè)目睹引力波識(shí)別標(biāo)志信號(hào)的人。在他打開那封電子郵件之前,引力波已經(jīng)在太空中傳播了13億年,沒有人知道它的存在?!叭绻翘煳蚁热コ晕顼?,而不是查看郵件的話,”德拉戈說:“第一個(gè)看到信號(hào)的就應(yīng)該是別人,而不是我了?!?/p>

        (摘自江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社《逼近宇宙的秘密》??? 作者:[英]馬庫斯·喬恩??? 譯者:楊泓)

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