引力波：LIGO鍛造成功之路

邢鴻飛/編譯

引力波：LIGO鍛造成功之路

邢鴻飛/編譯

LIGO探測到的產生引力波的兩個黑洞碰撞（計算機模擬圖）

●空間-時間漣漪的歷史性發現證明，科學家們捕捉到的絕非虛假信號。

2015年9月14日，當地時間上午11:51，一封自動發出的電子郵件出現在德國漢諾威馬克斯·普郎克引力物理學研究所的物理學家馬可·德拉戈（Marco Drago）的收件箱里。郵件內有兩個標繪圖的鏈接，每一個都顯示了形狀像鳥鳴的“唧唧聲”的波，在嘈雜的聲音背景里突然出現，又瞬間結束。

這個信號正是德拉戈一直以來工作中需要探測的信號，也是他所就職、由美國牽頭的LIGO（激光干涉引力波天文臺）成立的監測對象：當兩個黑洞碰撞時在時間-空間中產生的信號漣漪，同時黑洞碰撞后形成重力下沉。在此之前，從來沒有人直接探測到引力波，也沒有探測到黑洞合并。兩個標繪圖，分別來自LIGO位于華盛頓州和路易斯安那州的兩臺同樣的引力波探測器，它們將繼續創造歷史。

2月11日，LIGO科學合作組織宣布，他們首次探測到由13億光年之外的兩個黑洞碰撞產生的引力波。此次發現距阿爾伯特·愛因斯坦在他的廣義相對論研究中預測引力波整整100年。LIGO實驗室執行主任戴維·賴茨（David Reitze）在華盛頓特區召開的新聞發布會上大聲宣布：“我們找到了（引力波）！”

除了有可能因此獲得諾貝爾獎,LIGO的發現還開啟了引力波天文學領域。在這一新領域中，科學家們將用“聆聽”波的方式來更多地了解宇宙。

2015年九月的那個早晨，德拉戈沒有想當然地認為他看到的是一個黑洞合并發出的“唧唧聲”。“很明顯這個聲音非同尋常。”他說。然而標繪圖也可能是LIGO的研究者們人為輸入用于測試探測器的信號。德拉戈說：“我到同事安德烈·朗格（Andrew Lundgren）的辦公室，問他是不是知道有人輸入了假信號。”

朗格很快檢查了數據記錄，并沒有發現人為的痕跡。接著，德拉戈給所有LIGO的成員（全球有千名研究人員）發出一封電子郵件，想聽聽他們的意見。

德拉戈和朗格的上司，物理學家布魯斯·艾倫（Bruce Allen）當時正在開會，他午飯結束后才過問此事。后來他說：“我一點開郵件看到，‘咳，這就是一個輸入信號，很明顯。’”

數小時后，大西洋另一端的合作者們開始關注到這封郵件，他們當中有MIT的實驗物理學家雷納·維斯（Rainer Weiss），他是LIGO合作組織的主創人。“當我開始查看這些波形時，我覺得它們很特別。”他說道。

對很多科學家們來說，信號的時間似乎太完美而顯得不真實：LIGO剛剛完成了對設備儀器的五年期升級。而且，LIGO合作組織允許小部分成員可以輸入假信號，或者不透露信號是否真實還是模擬，以檢測研究小組成員們的反應。然而LIGO發言人、路易斯安那州立大學物理學家加布里娜·岡薩雷斯（Gabriela González）表示，即使是這樣的一個“無識別輸入”也應該會在數據中留下一些痕跡。

經過一整天的電話和郵件溝通，她確認沒有人輸入假信號，并將此結果告知所有成員。

直到那一刻，LIGO的三位創始人維斯、加州理工學院的基普·索恩（Kip Thorne）與羅納德·德雷弗（Ronald Drever）意識到，延續了四十年的夢想已經實現。但還沒有到舉杯慶賀的時候。在向全世界宣布這一重大發現之前，LIGO還有更多工作需要去做。索恩說：“當天晚上在家里，我只是對著自己笑了笑以示慶祝，因為我還不能告訴我的夫人。”

岡薩雷斯和她的團隊決定先收集一個月的數據再開始完整的分析：科學家們需要記錄探測器上出現的自然噪音，用以對比“唧唧聲”。他們的分析結論是，發出大聲波紋噪音的機會太小，也就是路易斯安那州和華盛頓州同一時間探測到的同樣聲波模式，發生幾率小于203 000年一次。

艾倫介紹說，為了盡可能提取足夠的信息，研究人員們接著進行了漫長的超級計算機模擬。模擬實驗確認，該數據與愛因斯坦1915年廣義相對論中的預言完美吻合，過去幾十年中人們所做的理論工作使得物理學家們詳盡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黑洞的質量大概相當于太陽質量的36倍，另一個相當于太陽質量的29倍。兩個黑洞各自繞軌道運行，在波動的模式里，它們扭曲時間和空間的紋路。那些波動接著作為引力波傳輸到宇宙，需要大約13億光年，在移動過程中伸拉或擠壓空間。

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

盡管兩個黑洞可能彼此繞軌道運行了數百萬年，LIGO也只是在它們達到每秒35周（赫茲）的頻率才能捕捉到它們的波。這個頻率很快升到250赫茲。收到的信號變得混沌并迅速消失。整個過程不到四分之一秒。關鍵的是，兩個探測器幾乎同一時間探測到這一信號：路易斯安那州的利文斯頓先測到，七毫秒之后，華盛頓的漢福德再次測到。七毫秒的延遲說明光順利地通過地球。

接下來的工作是要撰寫論文。這要求千余名研究人員對于每一個細節都一致接受，來自MIT的LIGO總探測器科學家彼得·福瑞斯特（Peter Fritschel）透露，整個溝通過程有約五千封電子郵件。1月21日，研究小組提交了論文，發表在2月11日出版的《物理評論快報》，同一天，LIGO就此事在全球召開多個新聞發布會。

英國劍橋大學物理學家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）說：“這些驚人的觀察結果證明了大量的理論工作，包括預測引力波的愛因斯坦的廣義相對論。”

LIGO的成功為愛因斯坦開創的故事畫上完美的句點。他從來不相信黑洞的存在。但是，法國高等科學研究所的天體物理學家蒂博·達穆爾（Thibault Damour）指出，盡管天文學家們通過觀察已經收集到有說服力的證據證明黑洞，LIGO捕捉到的信號是“第一個真正能夠證明黑洞存在的證據。”

[資料來源：Nature][責任編輯：遙醒]