引力波獵人

邁克爾·謝加爾+晨飛

一個天體以非同尋常的運(yùn)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(xué)奠定了基礎(chǔ)。今天，她仍然在向天空張望，但是要看得更遠(yuǎn)。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(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)之一加州理工學(xué)院供職，讓她帶著我們領(lǐng)略最近引力波檢測實(shí)驗(yàn)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(yīng)？

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?yàn)槲覀兛偸窃谡f，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(jié)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(rèn)為這會催生天文學(xué)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(yīng)是壓倒性的，人們對這一結(jié)果非常感興趣，對這種認(rèn)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(diǎn)很令人驚訝。從第一天開始，為LIGO 實(shí)驗(yàn)做概率預(yù)測的人們就說，我們會首先檢測到兩個中子星間的碰撞，因?yàn)檫@一現(xiàn)象更常見。但事實(shí)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(shí)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(jié)果。

問：加州理工學(xué)院的其他科學(xué)家對LIGO檢測到引力波有怎樣的反應(yīng)？

答：加州理工學(xué)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?yàn)檎麄€研究團(tuán)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(rèn)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(rèn)為這或許是一個雙盲實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榭瓷先]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(shí)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(tuán)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(shí)驗(yàn)，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。或許沒過幾個月就有人宣稱自己設(shè)計策劃了這一事件，以羞辱整個研究團(tuán)隊。當(dāng)然艾倫也承認(rèn)，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(jié)果為什么很早就被泄露了？

答：我認(rèn)為有很多途徑會導(dǎo)致信息泄露。最簡單的就是，有人復(fù)印了一份文稿，但把它忘在了復(fù)印機(jī)上，其他人看到之后，用手機(jī)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(dǎo)致意外，造成信息泄露。另外，這一發(fā)現(xiàn)實(shí)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(xué)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(shí)驗(yàn)，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(dá)到了，你當(dāng)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(chǔ)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(shí)在是太難了，當(dāng)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(guān)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(biāo)系統(tǒng)。一旦這個坐標(biāo)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(biāo)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(zhuǎn)這個參考系，重新將時間組分包括進(jìn)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(yīng)，解釋起來就很困難，并且無法做到直觀。為了有一個確實(shí)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(biāo)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(rèn)為有了時間膨脹，并且可以通過數(shù)學(xué)語言來描述它，但這么做并不直觀。

選擇一個適當(dāng)?shù)膮⒖枷祦砻枋鲆Σㄐ?yīng)并不是一件容易的事，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(yīng)，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(rèn)為實(shí)驗(yàn)激光產(chǎn)生了時間膨脹效應(yīng)，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(rèn)為這項實(shí)驗(yàn)測量的是時間膨脹效應(yīng)，信號抵達(dá)的時間在一定程度上被延遲了。或者你可以認(rèn)為這項實(shí)驗(yàn)在空間里受到了拉伸和壓縮，不得不進(jìn)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(dāng)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(shí)上正處在一個由引力波構(gòu)成的背景當(dāng)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(dāng)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(dú)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(qiáng)。在不檢測引力波背景的情況下，我們也可以設(shè)定上限，只要背景達(dá)到了這個水平，我們就可以檢測到它。但因?yàn)槲覀冞€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(guān)于宇宙的有趣信息。

問：早期宇宙中有引力波背景嗎？

答：事實(shí)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(shí)驗(yàn)之一。我們可以利用宇宙微波背景實(shí)驗(yàn)的上限以及脈沖星計時陣列實(shí)驗(yàn)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(lǐng)域。

問：引力波有什么樣的頻率？

答：引力波譜非常廣，我們認(rèn)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(dāng)引力波沿著時間走遠(yuǎn)的時候頻率會增加，因此會發(fā)出這種獨(dú)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?yàn)樗鼈冞€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?yàn)檫@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(shí)驗(yàn)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(dá)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(lǐng)域內(nèi)有突出貢獻(xiàn)的個人。我認(rèn)為這一點(diǎn)最終是需要修改的，因?yàn)楝F(xiàn)在的研究都是大型實(shí)驗(yàn)，比如大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。事實(shí)上，在大型強(qiáng)子對撞機(jī)，甚至歐洲核子研究中心的實(shí)驗(yàn)中，沒有一項獲得過諾貝爾獎，但是他們應(yīng)當(dāng)?shù)玫街Z貝爾獎的承認(rèn)。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。或許評獎委員會可以以此為先例，修改諾貝爾物理學(xué)獎的評獎條件。不過，這些都只是我個人的觀點(diǎn)和推斷，我沒有任何關(guān)于諾貝爾獎評獎委員會的內(nèi)部信息。但是我認(rèn)為，這些研究項目，即使不能獲得諾貝爾獎，也應(yīng)該獲得某種地位象征的嘉獎。評獎委員會應(yīng)該給予它們某種特殊的承認(rèn)，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?yàn)長IGO的引力波檢測凝結(jié)了1000多位科學(xué)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(xué)合作聯(lián)盟的一員。因此，想要對這一實(shí)驗(yàn)和為其貢獻(xiàn)過心力的所有人進(jìn)行獎勵，是挺困難的。

問：您對科學(xué)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(dāng)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(rèn)識做一點(diǎn)貢獻(xiàn)。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(rèn)為自己的強(qiáng)項就是從來不言放棄。當(dāng)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(xué)的強(qiáng)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(xué)家，他問我長大想做什么，我說我真的非常喜歡天文學(xué)，但我不想僅僅是觀測星星，我想做用到更多數(shù)學(xué)的事情，我喜歡挑戰(zhàn)自己。我問他有沒有天體物理學(xué)這種東西，我覺得父親高興得都要叫出聲來了，他實(shí)在是太興奮了！他說：“是的，是的，有天體物理學(xué)這種東西！哦，我的女兒會成為天體物理學(xué)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(zhuǎn)就可以對它們進(jìn)行描述。另一方面，它們又極度復(fù)雜，黑洞表面之下是什么？奇點(diǎn)到底是什么樣的？它真的是具有無限曲率的點(diǎn)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(diǎn)時的行為有一定認(rèn)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(yīng)該就像一直在進(jìn)行的煙花表演，當(dāng)物質(zhì)靠近奇點(diǎn)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(dǎo)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(yùn)動，這些運(yùn)動具有各種奇怪并且美好的軌道，而奇點(diǎn)就位于中心。如果黑洞在旋轉(zhuǎn)，奇點(diǎn)實(shí)際上就應(yīng)該是一個環(huán)，而不是一個點(diǎn)。有一些理論認(rèn)為我們可以通過這些環(huán)形的奇點(diǎn)到達(dá)不同的現(xiàn)實(shí)世界，即平行宇宙。但這里的推測性太強(qiáng)了，當(dāng)然，如果我們看看描述黑洞表面之下的、數(shù)學(xué)公式，奇點(diǎn)之后確實(shí)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(diǎn)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(xué)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(guān)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(yùn)，還可能看到一個伴隨體向黑洞貢獻(xiàn)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?yàn)閄 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(guān)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(shí)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(jī)上進(jìn)行模擬，解決了科學(xué)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(jī)的運(yùn)行時間，但是這部電影做到了！他們在超級計算機(jī)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(shí)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?yàn)槲覀兌剂?xí)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(xiàn)功不可沒，簡直太美了。

問：在科學(xué)這個男性主導(dǎo)的領(lǐng)域里，作為一名女性，您有什么樣的體驗(yàn)？

答：這是一個很難回答的問題，因?yàn)闆]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(shí)上，作為一名女性，在科學(xué)界確實(shí)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(xué)家應(yīng)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(xué)做過一項隱形性別歧視測驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)公眾會更加尊重男性科學(xué)家。我甚至也是這樣！承認(rèn)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(xué)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(xué)校還是混合制學(xué)校。在我的經(jīng)驗(yàn)里，在女子學(xué)校上學(xué)的女孩子從來沒有想過自己不可以成為科學(xué)家或者領(lǐng)導(dǎo)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(xué)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(xué)校里，如果我們開展宣講科學(xué)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(zé)，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(jìn)行單獨(dú)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(dāng)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(xué)界、語言學(xué)界或者其他任何她們想要從事的領(lǐng)域中的我。

問：如果您沒成為科學(xué)家，現(xiàn)在會做什么？

答：我可能會成為一名語言學(xué)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(xué)位，在西班牙住了一段時間，學(xué)了西班牙語。我在渥太華長大，上的是法語學(xué)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(dāng)成一種職業(yè)來追求，因?yàn)檫@太容易了，我覺得做這么容易的事情有點(diǎn)投機(jī)取巧。我當(dāng)時的想法是，如果我做語言學(xué)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(xué)和科學(xué)一樣，也有自己的一套邏輯規(guī)則和結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)你追溯到拉丁語的時候。我覺得語言學(xué)的一套東西非常有趣，所以我或許可以把自己對科學(xué)的好奇心、對分析的熱愛和追本溯源的精神，運(yùn)用到語言學(xué)一類的東西上去。