（文/ Stuart Clark）這里就像是在頒發(fā)奧斯卡獎，但只有物理學(xué)家出席，沒(méi)有演員。有300人聚集在美國加利福尼亞州阿卡迪亞的一個(gè)舞廳里，另有100多人通過(guò)視頻與會(huì )場(chǎng)相連。所有人都在等待信封被打開(kāi)的那一刻。
雖然這個(gè)儀式看起來(lái)缺少吸引力（抱歉，物理學(xué)家），但它的戲劇性足以彌補這一不足。與好萊塢頒獎相反，那個(gè)信封里的東西會(huì )讓他們所有人，要么都成為贏(yíng)家，要么都一敗涂地。
他們正在搜尋宇宙結構中的漣漪——引力波，它是愛(ài)因斯坦廣義相對論中最后一個(gè)尚未被驗證的預言。廣義相對論認為，它可以由恒星的碰撞、黑洞的形成，以及宇宙大爆炸本身所產(chǎn)生。但是，當它們穿過(guò)遙遠的距離抵達地球時(shí)，它的擾動(dòng)僅有最小原子核直徑的約千分之一大，小到極端得難以探測。然而，發(fā)現引力波會(huì )從根本上改變我們研究宇宙的方式。
懷揣著(zhù)這樣一個(gè)目標，整整一代的引力波科學(xué)家把他們畢生的精力都花在了研發(fā)儀器上，以便探測這些極其微弱的信號?？v然花了半個(gè)多世紀來(lái)創(chuàng )新和完善技術(shù)，進(jìn)而隔絕掉哪怕是最微小的干擾，引力波探測器雖志存高遠卻仍然不夠靈敏。盡管這些努力已經(jīng)把我們帶到了作出發(fā)現的邊緣，但這一不屈不撓的訴求也付出了代價(jià)。英國格拉斯哥大學(xué)的引力波物理學(xué)家馬丁·亨得利（Martin Hendry）說(shuō)：“有相當多的人已經(jīng)習慣性地認為，無(wú)論我們自認為看到了什么樣的信號，它都必然是儀器噪聲?！?/p>
正因為如此，這些探測嘗試的上層偶爾會(huì )往數據里“注入”假信號，好讓普通成員忙個(gè)不停。盡管沒(méi)人能完全否定他們看到的信號只不過(guò)是一次測試，但科學(xué)家的工作熱情依然高漲。
在6個(gè)月的辛苦分析之后，每個(gè)人都相信他們看到的是兩顆恒星碰撞形成黑洞時(shí)發(fā)出的引力波。由于它來(lái)自天空中大犬座的方向，科學(xué)家給它一個(gè)代號“大狗”。在數據分析完成之前，科學(xué)家被禁止向外界透露有關(guān)的情況。于是，2011年3月，他們聚集到了美國的加利福尼亞州，來(lái)商討下一步的舉措。
“合作團隊決定，要提交一篇論文來(lái)公布這一發(fā)現的證據，”亨得利回憶說(shuō)。當時(shí)他在場(chǎng)見(jiàn)證了最后的一道坎：打開(kāi)信封，看看這個(gè)信號究竟是不是管理層人為加到探測系統中的?！拔矣浀卯敃r(shí)在想，如果最終確實(shí)這是一個(gè)真實(shí)的信號，那整個(gè)世界會(huì )突然變得有多么不同?！?/p>
當信封（其實(shí)是PowerPoint幻燈片）被打開(kāi)時(shí)，世界依舊。由于事先知道黑洞產(chǎn)生的引力波會(huì )是什么樣子，管理層偷偷地在恰當的時(shí)間，以恰當的方式，對探測器做了手腳?！按蠊贰笔且粋€(gè)人為的信號。
但很快就會(huì )有那么一天，我們將看到一個(gè)真實(shí)的信號。大西洋兩側的引力波探測器都正在進(jìn)行重要的升級，來(lái)提高它們的靈敏度。當那一天來(lái)臨時(shí)，它會(huì )為天文學(xué)家帶來(lái)一種全新的感知能力。
迄今，我們對宇宙的大部分認識都來(lái)自于“看”——使用望遠鏡收集可見(jiàn)光以及其他形式的電磁輻射，包括射電波、紅外線(xiàn)和X射線(xiàn)等?！艾F在，我們還想聽(tīng)一聽(tīng)宇宙，”意大利特倫托大學(xué)的斯特凡諾·維塔勒（Stefano Vitale）說(shuō)。
捕捉引力波
你該如何去探測時(shí)空中的漣漪呢？位于意大利卡思契納的Virgo干涉儀，正奮戰在引力波探測的最前沿。它由兩條呈直角的臂組成，每條臂長(cháng)3千米。激光會(huì )同時(shí)在這兩條臂中傳播，通過(guò)兩端的鏡面來(lái)增加傳播距離，使總長(cháng)達到大約100千米。
通常，這兩道激光束會(huì )以相同的時(shí)間走完它們的旅程。在終點(diǎn)處，它們會(huì )被匯集到一起，以檢測它們是否同步。然而，如果有引力波從其中穿過(guò)的話(huà)，它會(huì )略微改變激光傳播的路徑長(cháng)度，先改變一條臂中的路徑，然后再改變另一條臂中的路徑。這意味著(zhù)兩束激光將不再同步，但之后又會(huì )恢復正常。
美國的激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）使用了相同的技術(shù)。它在華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓各有一個(gè)探測器。2010年年末，Virgo和LIGO對引力波的搜尋暫時(shí)停止，以便進(jìn)行升級，把靈敏度提高約10倍。通過(guò)比較歐洲和美國探測器間的信號，物理學(xué)家可以三角定位引力波入射的方向，從而確定它的源頭。
參與其中的科學(xué)家相信，當這3個(gè)探測器于2016年重新開(kāi)始運轉時(shí)，作出第一個(gè)發(fā)現只是時(shí)間問(wèn)題。亨得利說(shuō)：“我們預計會(huì )在2016年末或2017年初達到足夠的靈敏度，探測到一些東西的幾率應該會(huì )變大?！?/p>
就算真的第一次探測到了引力波，這項研究也還遠遠沒(méi)有結束。與電磁波譜涵蓋了從射電和微波到可見(jiàn)光和γ射線(xiàn)類(lèi)似，引力波譜也有多樣性。不同的天體會(huì )產(chǎn)生不同波長(cháng)的引力波。在地球表面并不能探測到所有的引力波。
地面上的探測器只能探測頻率較高的引力波，可能由超新星爆發(fā)或者恒星碰撞形成小型黑洞所產(chǎn)生。
如果我們希望探測到星系碰撞的過(guò)程中超大質(zhì)量黑洞并合或者進(jìn)食所產(chǎn)生的引力波，那就需要把探測器送入太空。在那里，頻率較低的引力波才不會(huì )被地球內部的震動(dòng)所掩蓋。
2015年7月，歐洲空間局（ESA）將發(fā)射LISA探路者探測器。它是建造來(lái)測試相關(guān)探測技術(shù)的，是打造一個(gè)成熟的空間引力波探測任務(wù)所需的關(guān)鍵性的第一步。
位于LISA探路者心臟處的，是兩個(gè)完全相同的金屬立方體，每一塊都由2千克的金和鉑構成。這兩顆金屬心臟并不會(huì )跳動(dòng)，而是恰恰相反?！八鼈儗⑹翘?yáng)系中最寧靜的東西，我是指真正的寧靜，”這一任務(wù)的首席科學(xué)家維塔勒說(shuō)，“之前還沒(méi)有人制造過(guò)這么寧靜的東西?！?/p>
這兩個(gè)檢驗質(zhì)塊在發(fā)射時(shí)會(huì )被緊緊夾住，一旦進(jìn)入軌道就會(huì )被釋放。之后，它們會(huì )在艙內自由飄動(dòng)，彼此間隔約35厘米。
被修改的引力
LISA探路者的激光會(huì )監視兩個(gè)立方體的相對運動(dòng)變化。它可以探測到小到1皮米（10-12米，即十億分之一毫米）的距離變化——比先前ESA制造的傳感器，即用于從軌道上來(lái)測量地球重力場(chǎng)的GOCE任務(wù)，還要精確100倍。
如果LISA探路者一切順利，這些檢驗質(zhì)塊的下一次飛行，便會(huì )在2028年或者2034年，完整版的LISA發(fā)射之日。到那時(shí)，與僅間隔35厘米不同，3個(gè)不同的探測器里的檢驗質(zhì)塊會(huì )相距500萬(wàn)千米。在這個(gè)距離上，它們會(huì )使用各自的激光來(lái)探測引力波穿過(guò)時(shí)彼此之間距離的微小變化。
每一位引力物理學(xué)家對此都會(huì )感到極為高興，更不用提這會(huì )給他們提供大量能夠用來(lái)分析的數據了。然而， 換一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，LISA探路者帶來(lái)的科學(xué)內涵，或許比任何人最初想象的還要多。
隨著(zhù)仍在逐步壯大的一小組科學(xué)家和工程師的加入，LISA探路者將不再僅僅是一個(gè)技術(shù)演示任務(wù)。它有可能會(huì )成為1919年以來(lái)最偉大的引力實(shí)驗。那一年，英國天體物理學(xué)家亞瑟·愛(ài)丁頓（Arthur Eddington）證實(shí)了愛(ài)因斯坦的廣義相對論，后者拓展了牛頓的引力理論，將愛(ài)因斯坦自己的狹義相對論也囊括了進(jìn)來(lái)。
愛(ài)丁頓在一次日全食的過(guò)程中證明，來(lái)自一個(gè)遙遠星團的光在從太陽(yáng)附近穿過(guò)時(shí)，路徑會(huì )發(fā)生彎曲。這種星光的“透鏡”效應只有在引力極強的時(shí)候才會(huì )發(fā)生。牛頓的引力定律對此沒(méi)有作出預期，愛(ài)因斯坦卻準確地給出了預言。愛(ài)丁頓之所以能成功地證認這一點(diǎn)，是因為當時(shí)的望遠鏡已經(jīng)精確到了足以測量這一效應。
絕大多數物理學(xué)家都假定，牛頓引力定律只在強引力場(chǎng)中失效，例如在恒星、星系團或者黑洞這樣的大質(zhì)量天體附近。但在其他地方，他們則假定引力如牛頓描述的那樣，會(huì )隨著(zhù)到星系中心距離的平方而衰減。這一想法導致了暗物質(zhì)的引入，這些不可見(jiàn)的物質(zhì)提供的額外的引力，維系住了單個(gè)星系的轉動(dòng)，并把多個(gè)星系束縛在了星系團中。雖然沒(méi)有人知道暗物質(zhì)是什么，但大部分天文學(xué)都相信它們是存在的。
然而，許多觀(guān)測結果也可以用另一種方式來(lái)解釋?zhuān)灰窍祵阈鞘┘拥囊Ρ扰ｎD預言的引力更強即可。在這些“被修改的引力”中，最著(zhù)名的當屬修改的牛頓動(dòng)力學(xué)，簡(jiǎn)稱(chēng)MOND。這個(gè)理論是上世紀80年代，由當時(shí)在美國普林斯頓大學(xué)任職的莫德采·米爾格若姆（Mordechai Milgrom）提出的。只有在引力造成的加速度小于某個(gè)特定微小數值的地方，這個(gè)理論才起作用。
2006年，以色列耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和英國倫敦帝國學(xué)院的喬奧·馬古悠（Joao Magueijo）精確確定了這些地方所在的位置。他們的計算顯示，在太陽(yáng)系的特定區域，太陽(yáng)、行星和衛星的引力會(huì )相互抵消，那里被稱(chēng)為鞍點(diǎn)。
如果LISA探路者可以穿過(guò)或者靠近這些鞍點(diǎn)中的一個(gè)，靈敏的激光系統就可能處于被修改引力理論的掌控下，從而檢驗牛頓引力定律。同在英國倫敦帝國學(xué)院的阿里·莫扎法里（Ali Mozaffari）說(shuō)：“如果看到了出乎預料的東西，我們就能十分肯定地說(shuō)，引力并非我們想象的那樣；還有更深層次的‘引力’存在?！?/p>
莫扎法里正同馬古悠等人一起，研究拓展LISA探路者任務(wù)的可能性。距離鞍點(diǎn)越近，利用LISA探路者中的金屬立方體所作的檢驗精度就越高。如果能夠按照預期工作，并且該探測器可以深入到距鞍點(diǎn)50千米的地方，那么類(lèi)似MOND這樣對引力進(jìn)行修改的理論所產(chǎn)生的效應就會(huì )顯著(zhù)體現出來(lái)。莫扎法里在他今年最新發(fā)表的一篇論文（詳見(jiàn)arxiv.org/abs/1204.6663v2）中指出，即便距鞍點(diǎn)仍有400千米，你也會(huì )得到一個(gè)足夠強的信號，宣告你做出了新的發(fā)現。
自米爾格若姆提出最初的設想以來(lái)，又涌現了許多不同版本的修改引力理論。是否可以用觀(guān)測到的信號來(lái)檢驗某種特定的理論，是目前正在研究的問(wèn)題。莫扎法里說(shuō)：“許多人根據他們的理論作出了不同的預言?！钡f(shuō)，要把一個(gè)信號和一種特定的理論真正聯(lián)系上，卻更為困難，“這項研究還在進(jìn)行中”。
如果靠近鞍點(diǎn)然后發(fā)現一切正常，那事情就會(huì )簡(jiǎn)單一些，因為它會(huì )對修改的引力理論施加更強的限制，甚至完全排除其中一些理論。
為了進(jìn)行這一實(shí)驗，ESA必須在引力波探測技術(shù)已經(jīng)完全被演示并被了解之后，對LISA探路者任務(wù)進(jìn)行拓展。維塔勒說(shuō)，技術(shù)演示毫無(wú)疑問(wèn)是該任務(wù)的第一要務(wù)?！拔也粫?huì )說(shuō)我已經(jīng)準備好去鞍點(diǎn)了，”他說(shuō)，“如果我們必須對引力波探測器進(jìn)行其他額外的測試，那些測試仍然會(huì )具有最高的優(yōu)先級?！?/p>
不過(guò)，他對鞍點(diǎn)也很感興趣?！八仟氁粺o(wú)二的設備，這是毫無(wú)疑問(wèn)的，”維塔勒說(shuō)，“當你把一臺獨一無(wú)二的儀器放到獨一無(wú)二的位置上時(shí)，總能獲得一些東西?！?/p>
毫無(wú)疑問(wèn)，LISA探路者和地面引力波探測器的升級都讓人興奮?！拔胰韵竦谝惶鞎r(shí)那般狂熱，”維塔勒說(shuō)，“你必須這樣。如果你自己都不相信，那就什么都不會(huì )發(fā)生了?！?/p>
至于究竟何時(shí)能第一次探測到引力波，這是2013年7月引力波會(huì )議的最后一個(gè)議題。與會(huì )的科學(xué)家預計會(huì )是2017年1月1日。
亨得利不希望如此。盡管這不是奧斯卡，但作為一個(gè)蘇格蘭人，在那一天的前一晚，他還有另一個(gè)派對必須要參加?！凹胰丝刹幌Ｍ以谀且惶爝€24小時(shí)呆在電腦旁邊守著(zhù)，”他說(shuō)?？墒?，這樣的時(shí)刻，他又怎么舍得錯過(guò)呢？
編譯自：《新科學(xué)家》，Ear on the universe
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回到鞍點(diǎn)
引力鞍點(diǎn)是兩個(gè)天體之間引力場(chǎng)相互抵消的地方，是天體之間的平衡點(diǎn)。
鞍點(diǎn)類(lèi)似于拉格朗日點(diǎn)，后者因為給天文儀器提供了理想的觀(guān)測地點(diǎn)而知名。事實(shí)上，ESA的LISA探路者就將前往日地連線(xiàn)上距離地球150萬(wàn)千米的拉格朗日點(diǎn)。位于這些點(diǎn)上的探測器所受到的引力，使得它可以在與地球相對位置保持不變的情況下繞太陽(yáng)轉動(dòng)。鞍點(diǎn)和它的區別是，那里的引力場(chǎng)會(huì )完全抵消。穿過(guò)鞍點(diǎn)時(shí)，引力會(huì )瞬間降為零。
當LISA探路者接近地球和太陽(yáng)的鞍點(diǎn)時(shí)，它的載荷會(huì )探測到這一引力下降，并檢驗牛頓的引力定律。
