聆聽宇宙的心跳等四則

聆聽宇宙的心跳

2016年2月11日，引力波這個歷史性的發現由LIGO公之于世。天體物理學家聲稱引力波的發現打開了一扇通向宇宙的新窗。在這扇窗前，我們得以領略那些光學望遠鏡看不到卻能感知甚至聽到的來自宇宙另一端的遠古悸動。

“我們探測到了引力波。我們成功了！”LIGO千人小組項目主管大衛?萊茲在華盛頓舉辦的美國國家科學基金新聞發布會上宣布道。

“這一奇跡的偉大在于他們最終完成了這項任務，他們真的捉住了這些搗蛋鬼！”阿肯色大學理論物理學家、《以思想的速度旅行：愛因斯坦和對引力波的探索》一書的作者丹尼爾?肯納菲克說道。引力波的發現開拓出引力波天文學這一全新領域，將大大加深人類對黑洞的形成、數量及作用的認知。當兩個黑洞對撞時會發出短促的“鳴音”，即逐漸升高音調和振幅直至戛然而止的時空波動。LIGO探測到的這種聲響縱然十分微弱，無法用裸耳聽到，卻仍屬于人類聽覺范圍內。用手指滑過鋼琴琴鍵就可以重現引力波的鳴音。“從鋼琴上最低的音開始，到中央C，”魏斯說，“這就是我們聽到的?！?/p>

引力波實驗

捕捉引力波需要巨大的耐心和精巧的手法。LIGO在華盛頓的漢福德市和路易斯安那州的利文斯頓市分別設有長度為4千米的L形探測器。LIGO沿著這些4千米的干涉臂反復來回發射激光。若碰巧有引力波經過，便會引起時空變形，導致一干涉臂長一干涉臂短的現象。運用世界上最先進的儀器，科學家測量到干涉臂的長度產生了小于千分之一質子直徑的變化。這樣的精度在一個世紀前是不可想象的，而1968年，當麻省理工學院的萊納?魏斯構想出這一實驗方法時還被大多數人視為異想天開。

據科學家判斷，第一個信號來自距地球13億光年的兩個大質量黑洞對撞。兩個黑洞彼此圍繞著旋轉，越來越近，越來越快，大約一眨眼的工夫便釋放出相當于三個太陽的能量的引力波。

根據愛因斯坦的理論，空間與時間恰如一塊有彈性的布料，會在重物的擠壓下變形，而順著這塊布料的曲線便可以感覺到重力。但是這塊“時空”布料會像被擊打的鼓面一樣產生細微的波動嗎？愛因斯坦本人都不確定自己的方程式意味著什么。連他最堅定的擁躉們也不免懷疑引力波太過微弱以至無法被觀察到。引力波誕生于宇宙中的某些劇變，以此為中心向外層層擴張開去，并在此過程中對時空進行交替性拉伸和擠壓。然而當引力波穿過重重時空被地球接收到時，這種拉伸和擠壓早已衰減成每英里不足一個原子核大的程度。

引力波探測

歷時5年、耗資2億美金的LIGO的探測器得到全面升級后，靈敏度大為提高。當最初的引力波信號出現時，每個人都持懷疑態度——尤其當他們看到信號時。引力波的鳴音完美得宛如教科書里的范例，致使很多人都疑心數據被人動過手腳。

不存一絲僥幸，LIGO的科學家們用數萬臺儀器監測著每一次數據運行，測量他們可能測量的一切：地震活動、氣壓、閃電、宇宙射線、儀器的振動、激光束附近的聲響，諸如此類，不一而足。

引力波首次被探測到是在2015年9月一個周一的早晨。信號是如此響亮和清晰，以至于魏斯覺得，“這鬼東西不可能是引力波?！?月14日清晨，數據采集正式啟動前兩天，第一道引力波掃過LIGO的探測器——開始在利文斯頓，7毫秒之后在漢福德。

時空中的風暴

1968年，魏斯還是一名年輕的麻省理工學院教授，負責講授廣義相對論——作為實驗物理學家的魏斯所知甚少的一項理論。當時正值約瑟夫?韋伯探測到引力波的新聞不脛而走。魏斯的學生們要求他對引力波作出詮釋并評價這條新聞。魏斯被其中復雜的數學嚇倒了?！拔乙活^霧水——完全不明白這些圓柱狀探測器是如何與引力波相互作用的?！彼聊チ季茫詥柕?，“我能想到的可以探測到引力波的最原始的東西是什么？”一個想法躍入他腦中，這就是他所謂的“LIGO的概念基礎”。

想象一下，時空中有三件物體——比如，呈三角形排列的三面鏡子?！皩⒐鈴钠渲幸粋€發射到另一個，”魏斯說，“記錄光從一個物體到達另一物體的時間，看時間是否發生變化?！笔聦嵶C明，“你很快就能做出來。我把這作為題目出給我的學生們，結果一整個班級的學生都能算出來。”

接下來的數年，鑒于其他研究者無法復制出韋伯的實驗結果，魏斯開始謀劃一個更精確、更有野心的實驗：引力波干涉儀。激光L狀的三面鏡子間發射，形成兩道光束。光波可以準確測量出兩道干涉臂的長度，可看作時空的x和y軸。當坐標靜止時，兩道光波會折射回角落并互相抵消，在探測器中形成零信號。但是，假如有引力波掃過地球，就會將其中一道干涉臂的長度拉長，并將另一干涉臂的長度壓縮。非對齊的兩道光束會在探測器中產生信號，在空間和時間中形成一閃即逝的震顫。

當其他學者還在懷疑時，在加州理工學院研究黑洞的索恩在1975年與魏斯談話后表示了認同?！拔议_始相信對引力波的搜尋會成功，”索恩說，“我想讓加州理工也加入進來。”他促使加州理工聘用了一直吵著要造出引力波干涉儀的蘇格蘭實驗物理學家羅納德?德雷弗。索恩、德雷弗和魏斯最終組成了團隊并肩作戰，在1984年創建了LIGO。10年后，探測器正式啟用。