來自宇宙的聲音——引力波

[英]馬庫斯·喬恩/著 楊泓/譯

《三體》中的引力波真實存在嗎？

在一個遙遠的星系中，兩個巨大的黑洞被鎖定在相互纏繞的死亡旋渦中。就在地球上最復雜的生物還只是古老的細菌時，兩個黑洞完成了最后一次繞轉，發生碰撞，合并在了一起。那一瞬間，相當于太陽質量3倍的黑洞驟然消失了。片刻之后，那些消失的質量化作時空振蕩的海嘯，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，如果黑洞合并不產生劇烈的時空振蕩，而產生可見光，那么其亮度將是整個宇宙亮度的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散，沿途沖刷著100萬個星系，輕搖著100億億顆恒星，撩撥著無數的行星、衛星、小行星和彗星。

此時，這股滾滾向前的時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

將近中午時分，聽見“啵”的一聲，坐在電腦前的馬可·德拉戈知道，有電子郵件到了，但他正忙著寫一篇科學論文，沒有立即查看郵件內容。

2015年9月14日，星期一，本來這一天對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，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合作項目涉及不同國家和地區的大約1000人，不同地域的人之間有著時間差，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來到德國。他在馬克斯·普朗克引力物理研究所做博士后時，在監控一種計算程序，它用來分析美國的兩個LIGO引力波探測器以及歐洲的Virgo引力波探測器的輸出信號，以從中篩選出可能是引力波的觸發信號。

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

在利文斯頓的LIGO是一把長達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”。當德拉戈點擊打開兩個附件，并讓二者一上一下分屏顯示時，他注意到在東部標準時間早上5點51分，利文斯頓的尺發生了顫動，7毫秒——還不到1秒的1%——之后，漢福德的尺也發生了完全相同的顫動。顫動顯示為從左到右的蛇形線條，線條上下對稱的偏移完美地反映了超級尺的伸縮。在大約1/10秒的時間里，擺動變得越來越快，越來越強烈，在達到最大值后，快速消失。

毫無疑問，這就是一掠而過的引力波的標志信號。這列引力波來自一對合并中的黑洞。但是，這個事實對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。

盡管這個LIGO已經運行1個月了，但其仍在進行工程升級，以提高靈敏度，并且要到4天后的9月18日才開始按計劃進行科學探測工作。德拉戈在想，開機時間才這么短，探測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，時空是非常堅硬的——比鋼鐵還硬1027倍。振動鼓面很容易，但要振動時空的鼓面卻非常困難。盡管在空中揮揮手也會在時空結構中產生漣漪，但只有難以想象的最劇烈的物質運動，比如黑洞的合并，才能產生足以被21世紀的技術探測到的引力波。

然而，黑洞合并很可能是非常罕見的，這意味著產生引力波的事件很可能都發生在宇宙中離我們非常遙遠的地方。引力波在宇宙不可思議的巨大體積里擴散，它將被稀釋成無限微弱的漣漪。因此，所有人都預期，LIGO-Virgo接收到的第一個信號應該是混雜在背景噪聲里的、只能勉強辨別的微弱信號。但是，德拉戈在電腦屏幕上看到的信號一點也不微弱。信號強大且清晰地顯示在屏幕之上。所以他確信，肯定是弄錯了，這一定是個假警報。

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。當來自漢福德和利文斯頓的兩個相同的波形出現在屏幕上時，兩個人的意見一致：這是假信號。

有兩種假信號的可能：第一種假信號，是為了測試儀器的反應，有時候，LIGO-Virgo的工程師會向系統中注入一個偽信號。但一定會注明預注，然而德拉戈和倫德格林并沒有看到預注的標志;第二種假信號，是為了確保物理學家能夠區分真實的引力波和虛假的人為信號，一個由物理學家組成的小團隊負責進行的盲注。

兩天后，一切都變了。從那個讓科學家們時刻保持警覺的物理學家小團隊傳來了驚心動魄的消息：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，注意到走廊墻上有一幅1米高的愛因斯坦畫像。這位在近一個世紀前曾預測過引力波存在的偉人，似乎正在調皮地對他微笑著說：“我說有，果然有吧？”

引力波的確認與公布

2015年9月14日之后的數月里，德拉戈和LIGO-Virgo團隊其他人的工作都繁重而艱巨。清單上列出了一長串的設備和軟件，每一項都要檢查，以確認沒有發生故障。

當所有這些工作都完成之后，他們得出的結論是，在漢福德和利文斯頓看到的信號確實有可能是隨機噪聲產生的，但就概率而言，這種隨機噪聲需要20萬年才能發生一次。信號的真實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。

是否有人非法入侵了兩個LIGO網站的電腦，并注入了信號呢？這種可能性很難排除。但調查小組得出的結論是，黑客要侵入電腦留下假信號，而且不留下任何痕跡，那就需要對多個復雜系統了如指掌。

此時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。盡管每個人都宣誓要保守秘密，但當涉及來自16個國家的大約1000人時，就變得很難。

重大發現的傳聞不可避免地在科學界流傳開來。9月25日，亞利桑那州立大學的勞倫斯·克勞斯在推特上寫道：“有傳言說在LIGO探測器上發現引力波的信號了。如果這是真的，那也太神奇了。如果再有新的進展，我將發布詳細信息。”

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

2月11日，新聞發布會在華盛頓國家新聞俱樂部舉行，現場提供了關于該項目的簡短介紹和視頻，人們的興奮達到了頂點。《物理評論快報》與發布會在同一時間發表了這一發現的論文。

公眾的興趣完全超出了德拉戈的想象。在愛因斯坦預測引力波100年后，引力波的發現成為了重大的國際事件。科學獲得了全新的感官，就好比天生耳聾的人突然在一夜之間能聽到聲音了，這就是物理學家和天文學家的感受。從古到今，他們都是用眼睛和望遠鏡“看”宇宙的，而現在，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目睹引力波識別標志信號的人。在他打開那封電子郵件之前，引力波已經在太空中傳播了13億年，沒有人知道它的存在。“如果那天我先去吃午飯，而不是查看郵件的話，”德拉戈說：“第一個看到信號的就應該是別人，而不是我了。”

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