周四，一個(gè)科學(xué)家團隊宣布，他們探聽(tīng)并記錄下了十億光年以外兩個(gè)黑洞碰撞發(fā)出的聲音，這段稍縱即逝的短促聲波應驗了愛(ài)因斯坦廣義相對論的最后一項預言。
一個(gè)世紀以前，愛(ài)因斯坦預言了一種時(shí)空漣漪——引力波的存在。物理學(xué)家表示，這段微弱的上升音是這種引力波存在的第一個(gè)直接證據。（點(diǎn)擊播放，需要VPN）它證實(shí)了愛(ài)因斯坦的宇宙觀(guān)：時(shí)空是相互交織、是動(dòng)態(tài)的，可以伸展、收縮、震動(dòng)。而這很好地證實(shí)了黑洞的性質(zhì)。黑洞是一個(gè)深不見(jiàn)底的引力坑，甚至連光都無(wú)法從中逃脫，這是愛(ài)因斯坦的理論中最不祥（也最不受歡迎）的部分。
總而言之，這意味著(zhù)自從愛(ài)因斯坦在論文中預言它的存在以來(lái)，科學(xué)家們經(jīng)過(guò)了一個(gè)世紀的革新、檢驗、質(zhì)疑和辛勤工作，終于進(jìn)入到了物理現實(shí)的最深處。在這里，愛(ài)因斯坦宇宙觀(guān)中最古怪、最瘋狂的部分昭然可見(jiàn)。
科學(xué)家宣布，他們終于探測到一個(gè)世紀前阿爾伯特·愛(ài)因斯坦預言的時(shí)空漣漪——引力波。
9 月 14 日，位于華盛頓州和路易斯安那州的被稱(chēng)為 LIGO 的 L 形天線(xiàn)在引力波的作用下發(fā)生震動(dòng)，其中傳送的能量比宇宙所有恒星總共輸出的能量大 50 倍。
這段簡(jiǎn)單的短促聲波在上升到中央 C 音后戛然而止。如果能在今后的實(shí)驗中復制，它似乎注定會(huì )在科學(xué)界偉大的聲音中占有一席之地，與亞歷山大·格雷厄姆·貝爾的“沃森先生——到這里來(lái)”以及人造衛星第一次從軌道上發(fā)回的嗶嗶聲一道被載入史冊。
“我們大家都欣喜若狂，”LIGO 科學(xué)合作（LIGO Scientific Collaboration）發(fā)言人、路易斯安那州立大學(xué)的加布里埃拉·岡薩雷斯（Gabriela González）說(shuō)道?！拔蚁霅?ài)因斯坦會(huì )非常高興的?！盠IGO 的全稱(chēng)為激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）。
LIGO 團隊成員都是來(lái)自世界各地的科學(xué)家。周四，他們和一個(gè)名為 Virgo 合作（Virgo Collaboration）的歐洲團隊，以及另外 1000 多名作者在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上共同發(fā)布了一份報告。
“我想這將是很長(cháng)一段時(shí)間內物理學(xué)上的重大突破之一，”LIGO的科學(xué)家之一、哥倫比亞大學(xué)教授索博爾奇·馬爾卡（Szabolcs Marka）說(shuō)。
談到讓天文學(xué)家能夠獲得越來(lái)越多的電磁頻譜，并能越來(lái)越深入地窺視空間和時(shí)間的各種望遠鏡設備時(shí)，他說(shuō)：“天文學(xué)上的其他一切都像是眼睛。終于，天文學(xué)長(cháng)出了耳朵。我們以前從來(lái)沒(méi)有過(guò)耳朵?！?/p>
這一發(fā)現是三位物理學(xué)家的偉大勝利——加州理工學(xué)院的基普·索恩（Kip Thorne）、麻省理工學(xué)院的雷納·維斯（Rainer Weiss）和原在加州理工任職、現退休居住在蘇格蘭的羅納德·德雷弗（Ronald Drever）。他們夢(mèng)想著(zhù)要測量出愛(ài)因斯坦最不可言喻的概念，并將自己的職業(yè)生涯都賭在了上面。
“直到現在，我們科學(xué)家看到的都只是平靜時(shí)期的扭曲時(shí)空，”索恩博士在一封電子郵件中說(shuō)?！斑@就像我們只看到海洋風(fēng)平浪靜時(shí)的樣子，卻從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)風(fēng)暴來(lái)臨時(shí)驚濤駭浪的場(chǎng)面?！?br>
LIGO 觀(guān)測到的黑洞制造了一場(chǎng)風(fēng)暴，“在這場(chǎng)風(fēng)暴中，時(shí)間流先是加速，然后減速，然后又加速，”他說(shuō)?！斑@是一場(chǎng)導致空間來(lái)回彎曲的風(fēng)暴?！?br>
這段短暫的聲波同時(shí)也是為美國國家科學(xué)基金會(huì )做出了有利的辯護。為了建立連接自然的一條新熱線(xiàn)，基金會(huì )奮斗了 40 余年、斥資約 11 億美元，面對引力波來(lái)源不充足、聲音不夠大、不值得為此大手筆投入的批評，依然堅持不懈。
“幾十年過(guò)去了，我們經(jīng)歷了大量不同的技術(shù)革新，”基金會(huì )負責人弗朗斯·科爾多瓦在接受采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，回想最初幾年，基金會(huì )顧問(wèn)委員會(huì )“對這一項目真的是很不解”。
雖然 LIGO 的成功引來(lái)科學(xué)界的一陣歡呼，仍有一些必要的告誡認為這一發(fā)現尚需確認或復制。
“我當時(shí)嚇壞了，”哥倫比亞大學(xué)巴納德學(xué)院的理論家珍娜·萊文（Janna Levin）說(shuō)道。盡管不是 LIGO 成員，但因撰寫(xiě)據實(shí)記述這一項目的著(zhù)作——《黑洞藍調》（Black Hole Blues），她獲準提前目睹有關(guān)結果。該書(shū)預計今年春天出版。
《物理評論快報》編輯羅伯特·加里斯托（Robert Garisto）說(shuō)，讀到 LIGO 的報告時(shí)，他起了一身雞皮疙瘩。
1915 年，愛(ài)因斯坦公布了他的理論，改寫(xiě)了牛頓時(shí)期以來(lái)盛行 200 余年的時(shí)空規則。人們曾認為宇宙有一個(gè)靜態(tài)的固定框架，然而愛(ài)因斯坦說(shuō)，物質(zhì)和能量會(huì )扭曲宇宙的幾何結構，猶如一個(gè)胖子躺在床上導致床墊凹陷一樣——這就產(chǎn)生了我們所說(shuō)的引力。
宇宙中的干擾可能導致時(shí)空伸展、崩塌甚至震動(dòng)，就像床上的人翻身時(shí)床墊出現晃動(dòng)一樣，由此產(chǎn)生了引力的漣漪：引力波。
愛(ài)因斯坦對這些引力波并不十分確定。1916 年，他告訴黑洞發(fā)現者卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）引力波不存在，后來(lái)又說(shuō)它們存在。1936 年，他和助手納森·羅森（Nathan Rosen）打算發(fā)表一篇論文，揭穿這一錯誤想法，但隨后又再次反口。
根據物理學(xué)家已經(jīng)確定的方程，隨著(zhù)引力波向外擴展，空間將在一個(gè)方向上壓縮，同時(shí)在另一個(gè)方向上伸展。
1969 年，馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）聲稱(chēng)，他利用一個(gè)六英尺（約 1.8 米）長(cháng)的鋁筒作為天線(xiàn)探測到引力波的存在。他表示，一定頻率的引力波會(huì )讓鋁筒像音叉一樣鳴響。
其他人沒(méi)能復制他的結果，但很少有人懷疑引力波的真實(shí)性。韋伯博士的實(shí)驗啟發(fā)了一代科學(xué)家，他們愈發(fā)努力地尋找宇宙中愛(ài)因斯坦的痕跡。
1978 年，當時(shí)在馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的射電天文學(xué)家小約瑟夫·H·泰勒（Joseph H. Taylor Jr.）和羅素·A·哈爾斯（Russell A. Hulse）發(fā)現了一對互相繞行的中子星（恒星死亡后的超密殘余）。其中一顆脈沖星能發(fā)出周期性的電磁射線(xiàn)。通過(guò)對脈沖記時(shí)，天文學(xué)家斷定兩顆中子星的能量正在喪失，兩星逐漸接近，其速率恰恰可以預期它們正在放射引力波。
1993 年，哈爾斯博士和泰勒博士獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
另一個(gè)名為 Bicep 的天文學(xué)家團隊在 2014 年登上新聞頭條，聲稱(chēng)他們利用南極的望遠鏡探測到了來(lái)自宇宙大爆炸之初的引力波。但后來(lái)他們承認，其觀(guān)測結果很可能受到了星際星塵的污染。
加州理工學(xué)院的索恩博士和麻省理工學(xué)院的維斯博士最初相識是在 1975 年，維斯博士說(shuō)，當時(shí)他們在華盛頓參加一個(gè)會(huì )議，兩人不得不共用一個(gè)酒店房間。索恩博士那時(shí)已經(jīng)是一位著(zhù)名的黑洞理論家，但他正在尋找新的實(shí)驗領(lǐng)域去征服。他們一夜未眠，討論如何檢驗廣義相對論、如何才能最有效地找到引力波。
后來(lái)，索恩博士將來(lái)自格拉斯哥大學(xué)的天才實(shí)驗物理學(xué)家德雷弗博士招致麾下，啟動(dòng)了加州理工學(xué)院的引力波項目。德雷弗博士想用光（精確定位的鏡子之間來(lái)回反射的激光束）來(lái)探測過(guò)往波動(dòng)的擠壓和伸展現象。
維斯博士試圖在麻省理工學(xué)院發(fā)起一個(gè)類(lèi)似的項目，也使用激光探測方法，但在當時(shí)，黑洞這一主題在麻省理工已不再時(shí)興。（他說(shuō)現在好多了。）
兩項工作都沒(méi)有技術(shù)優(yōu)勢。根據研究人員的計算，來(lái)自外太空的一個(gè)典型的引力波對一對反射鏡之間空間距離的改變幾乎察覺(jué)不到：只有十億兆分之一。維斯博士回憶說(shuō)，當他向國家科學(xué)基金會(huì )的潛在資助者解釋這項實(shí)驗時(shí)，“他們都認為我們瘋了”。
1984 年，國家科學(xué)基金會(huì )下令兩個(gè)團隊合并，這讓德雷弗博士煩惱不已，卻令維斯博士松了口氣。索恩博士發(fā)現自己扮演著(zhù)雙重角色，他既是引力波領(lǐng)域的傳道者，又是調解實(shí)驗分歧的中間人。
研究的進(jìn)展相當緩慢。 1987 年，這三位物理學(xué)家被撤換，一位主管頂替了他們的職位——這是研究得以繼續進(jìn)行的代價(jià)之一。
第一代實(shí)驗設備——初代 LIGO 于 2000 年投入使用，并運行了十年時(shí)間。這一時(shí)期的運行主要是為了證明 LIGO 可以勝任研究所需的工作量。 LIGO 系統共有兩個(gè)引力波探測器，一個(gè)位于華盛頓州漢福德（Hanford, Wash.），另一個(gè)位于路易斯安那州利文斯頓（Livingston, La.）。它們都曾遭受過(guò)不同程度的破壞，前者的一條干涉臂被卡車(chē)撞過(guò)，后者的一處接收天線(xiàn)則遭到過(guò)獵人的槍擊，不過(guò)這兩次事故并沒(méi)有損壞 LIGO 。
過(guò)去五年里，整個(gè) LIGO 系統進(jìn)行了重建，設備的靈敏度大大增加，探聽(tīng)到某些東西對于研究團隊而言不再是一種不切實(shí)際的幻想了。
LIGO 的接收天線(xiàn)是 L 型的，垂直交叉的干涉臂長(cháng) 2.5 英里（約 4 千米）。每條干涉臂外部都包裹著(zhù)鋼鐵和混凝土，內部則是幾英尺寬的真空室，里面有著(zhù)體積 250 萬(wàn)加侖（約 9464 立方米）的真空區。干涉臂末端安有玻璃絲懸掛的鏡子，這些鏡子隔離周?chē)h(huán)境碰撞和聲音的效果遠超任何勞斯萊斯轎車(chē)。
在這樣的精心設計下，如今升級版 LIGO 中的激光能夠在引力波掃過(guò)時(shí)，根據干涉臂的長(cháng)度探測到直徑僅有質(zhì)子直徑萬(wàn)分之一的微小粒子——這種亞原子微粒太小了，甚至連功能最強大的顯微鏡都無(wú)法觀(guān)察到它們。
雖然 LIGO 的靈敏度已經(jīng)提升到了極致，但是仍然只有最大型、最猛烈的宇宙振動(dòng)才能讓探測器發(fā)出聲音。 LIGO 是為了發(fā)現中子星的碰撞而設計的，而中子星碰撞會(huì )產(chǎn)生猛烈的閃光——即所謂的“ γ 射線(xiàn)爆發(fā)”。
兩顆中子星彼此靠近時(shí)會(huì )旋轉得越來(lái)越快，轉速高達一秒鐘數百轉，它們會(huì )使時(shí)空幾何體發(fā)生振動(dòng)，發(fā)出一種能夠在 LIGO 真空管“最佳聽(tīng)音位置”聽(tīng)得見(jiàn)的上升音調。
黑洞是恒星滅亡后形成的一種更加極端的天體。人們認為它也能做到同樣的事情。但是沒(méi)有人知道黑洞是否會(huì )成對出現，也沒(méi)有人知道它們產(chǎn)生碰撞的可能性有多大。如果黑洞確實(shí)會(huì )成對出現并發(fā)生碰撞，那么這一撞擊形成的波動(dòng)肯定會(huì )比中子星碰撞形成的波動(dòng)響度更大、音調更低。
長(cháng)時(shí)間以來(lái)，索恩博士和其他科學(xué)家一直認為，這些就是 LIGO 會(huì )在首次有所發(fā)現時(shí)探測到的波動(dòng)。但是就連索恩博士也沒(méi)有想到， LIGO 這么快就探測到了引力波。
9 月 14 日凌晨四點(diǎn)， LIGO 系統剛剛完成校準，正在進(jìn)行所謂的工程性運轉。這時(shí)，利文斯頓觀(guān)測站出現了一個(gè)響亮的信號?！皵祿诩饨?，接著(zhù)傳來(lái)了‘砰’的一聲?！贝骶S·雷茨（David Reitze）回憶道。他是加州理工學(xué)院的教授，也是建造運行引力波探測器的 LIGO 實(shí)驗室的負責人。
七毫秒后，這一信號出現在了漢福德觀(guān)測站。 LIGO 科學(xué)家隨后斷定，這類(lèi)信號同時(shí)因為巧合出現的可能性幾乎為零。當時(shí)美國人都還在沉睡之中，計算機記錄下了這一事件，而歐洲的科學(xué)家們卻注意到了此事。
第二天，雷茨博士搭飛機前往路易斯安那州。那天早上，本來(lái)在緬因州度假的他在用電腦簽到時(shí)發(fā)現了此事?！八跊_我們發(fā)出波動(dòng)，跟我們說(shuō)你好，”他說(shuō)，“太棒了。信號很強烈，我簡(jiǎn)直無(wú)法相信?！?/p>
物理學(xué)家們知道，對于中子星而言，這一聲波的頻率過(guò)低了。物理學(xué)家們詳細分析研究了聲波形成的原因，發(fā)現了宇宙一個(gè)偏遠角落發(fā)生的龐大天體活動(dòng)：一對黑洞跳了最后一曲華爾茲（隨后撞到了一起），形成了這一聲波——而且這兩個(gè)黑洞比天體物理學(xué)家們此前預計的更大。
其中一個(gè)黑洞質(zhì)量是太陽(yáng)的 36 倍，另一個(gè)質(zhì)量則是太陽(yáng)的 29 倍。在彼此靠近的最后階段，它們的速度達到了光速的一半，以每秒 250 圈的轉速彼此繞行。
接著(zhù)，聲音停止了，兩個(gè)黑洞合并成了一個(gè)黑洞，一個(gè)質(zhì)量等同于 62 個(gè)太陽(yáng)的宇宙陷阱出現了。全過(guò)程僅花費地球時(shí)間五分之一秒。
據維斯博士所言，用指甲在鋼琴上從音調最低的琴鍵劃至中央 C 鍵，就能再現這個(gè)短暫的聲波。
這場(chǎng)合并消耗了相當于三倍太陽(yáng)質(zhì)量的能量，這些能量在一場(chǎng)看不見(jiàn)也幾乎感受不到的天啟中蒸發(fā)變成了引力波。如果把這一能量轉換成可見(jiàn)光，那么它的亮度將會(huì )等同于 1021個(gè)太陽(yáng)所發(fā)出的光亮。
不過(guò)，這個(gè)能量讓 LIGO 的鏡子只是做了一個(gè)質(zhì)子直徑的千分之四距離的位移而已。
雷茲博士表示，這一信號精確符合了計算機根據廣義相對論模擬計算后得出的對于黑洞的預測。
研究團隊表示，九月這一事件發(fā)生沒(méi)多久后， LIGO 又記錄到了另一個(gè)較為微弱的信號，這個(gè)信號可能也是黑洞發(fā)出的。據維斯博士所言，一月份結束的第一輪 LIGO 觀(guān)察運行期間， LIGO 至少探測到了四個(gè)信號。第二輪運行將于今年夏天開(kāi)始。今年秋天，位于意大利的歐洲引力天文臺（European Gravitational Observatory）運營(yíng)的另一個(gè)探測器“升級版 Virgo ”（Advanced Virgo）探測器也將啟動(dòng)運行。未來(lái)日本和印度也將有望有探測器投入運行。
如今，天文學(xué)家們知道了，宇宙中確實(shí)存在成對的黑洞。眼下他們正急切地想要知道，這些黑洞怎么會(huì )變得如此巨大。據西北大學(xué)（Northwestern University）的維琪·卡洛格拉（Vicky Kalogera）所言，目前主要有兩種理論：一種理論認為，早先在宇宙中，有些恒星缺少比氦元素更重的元素。在變得十分巨大后，這些恒星沒(méi)有像其他恒星一樣先發(fā)生炫目的超新星爆炸、再形成黑洞，而是直接塌縮成了黑洞，沒(méi)有經(jīng)歷超新星爆炸，所以才形成了巨型黑洞。另一種理論則認為，有黑洞沉入了恒星高度密集的球狀星團中心，經(jīng)過(guò)吞噬形成了巨型黑洞。
芝加哥大學(xué)（University of Chicago）宇宙學(xué)家邁克爾· S ·特納（Michael S. Turner）說(shuō)，天文學(xué)家曾一度把搜尋引力波看成是一場(chǎng)實(shí)驗，而不是一種觀(guān)測行為?！?LIGO 已經(jīng)證明了它名字里代表觀(guān)測的 ‘O’ 存在的合理性，”他說(shuō)道，“也就是說(shuō)，它將會(huì )是一個(gè)天文觀(guān)測臺，每年觀(guān)測到數十起天文事件?！?/p>
100 年前，愛(ài)因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。如今，我們終于第一次直接探測到了引力波。激光干涉引力波天文臺 LIGO 聽(tīng)見(jiàn)了黑洞碰撞發(fā)出的聲響。
兩個(gè)黑洞
大約 12 億光年以外的遙遠星系中，兩個(gè)黑洞繞著(zhù)彼此打轉。較大的黑洞質(zhì)量為太陽(yáng)的 36 倍，較小的黑洞質(zhì)量為太陽(yáng)的 29 倍。
碰撞
強大的引力加快了黑洞的轉速，它們的速度達到了光速的一半。引力拉近了它們彼此的距離，造成了時(shí)間和空間的扭曲。頃刻間，這兩個(gè)黑洞碰撞在一起，融合成了一個(gè)不規則的形狀。
下環(huán)
這團不穩定的物質(zhì)漸漸變成了球狀，這個(gè)過(guò)程叫做“下環(huán)”（ring down）。相當于三倍太陽(yáng)質(zhì)量的能量蒸發(fā)產(chǎn)生了大量的引力波，扭曲了時(shí)間和空間，最終形成了一個(gè)質(zhì)量相當于 62 個(gè)太陽(yáng)的黑洞。
引力波
看不見(jiàn)的波動(dòng)以光速向外漣漪擴散開(kāi)來(lái)。擴散得越遠，波動(dòng)就越弱。等最終到達地球的時(shí)候，這種引力波造成的時(shí)空扭曲已經(jīng)變得非常微小，無(wú)法超過(guò)我們星球的熱量、噪音以及其他振動(dòng)而被我們測量到了。
探測發(fā)現
LIGO 是由兩個(gè)相距 1900 英里（約 3058 千米）的 L 型觀(guān)測站組成的。每一根干涉臂末端的超高純鏡子都不會(huì )受到（地球上）振動(dòng)的干擾。傳到此處的引力波會(huì )推拉干涉臂，使隧道的長(cháng)度發(fā)生不超過(guò)質(zhì)子直徑的改變。
短促的聲波
9 月 14 日， LIGO 探測器檢測到了它們第一次由引力波引起的振動(dòng)。轉換成聲波后，這一振動(dòng)就變成了短促的聲波，向人們傳遞了十億年前兩個(gè)黑洞碰撞發(fā)出的回聲。
圖片版權： LIGO 、加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、Simulating eXtreme Spacetimes 項目；制圖：Jonathan Corum
特納博士還說(shuō)：“發(fā)出引力波天空中最響亮信號的是宇宙中最奇異的東西：黑洞、中子星和早期宇宙?！?/p>
宇宙黑暗面的前景似乎一片光明。
“肯定還有更加重大的驚喜等著(zhù)我們去發(fā)現，當一扇新的窗口打開(kāi)的時(shí)候，情況總是如此?！爆F在已經(jīng)退休了的前 LIGO 研究人員索恩博士說(shuō)道。
德雷弗博士如今患上了癡呆癥，住在愛(ài)丁堡附近的一間療養院里，他無(wú)法享受到勝利的喜悅了?！斑^(guò)去，羅恩創(chuàng )造性的天賦才能對 LIGO 未來(lái)的成功而言至關(guān)重要，那也是我們當時(shí)把他挖到加州理工學(xué)院的原因所在?！彼鞫鞑┦吭谝环忄]件中寫(xiě)道。
維斯博士如今已經(jīng)退休了。麻省理工學(xué)院授予了他名譽(yù)教授的頭銜。維斯博士說(shuō)，他的生活現在更像是一名大學(xué)畢業(yè)生——修修補補，讓設備運轉起效。此前，他的這一癖好差點(diǎn)就毀了 LIGO 的探索發(fā)現。維斯博士回憶說(shuō)，黑洞聲波傳來(lái)的三天前，他在利文斯頓觀(guān)測站驚駭地發(fā)現天線(xiàn)讀數受到了無(wú)線(xiàn)電的干擾。
維斯博士告訴他的同事，那得好好修一修。他懇請同事們推遲工程性運行。但是他的同事們反對說(shuō)，一切都準備就緒了，要想停止項目為時(shí)已晚。他們可真走運。
維斯博士說(shuō)：“我們差一點(diǎn)就錯過(guò)了這場(chǎng)重大的盛事?！?br>
翻譯：熊貓譯社 于義 錢(qián)功毅
題圖版權：sciencemag.org
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