銀河系中心兩個巨大黑洞發生碰撞 愛因斯坦100年前理論被證明

探索宇宙的邊界原創小學者11-03 12:06

很久很久以前，在很遠很遠的銀河系深處，有兩個巨大的黑洞——每一個的質量都要比太陽大大約30倍——發生了碰撞和合併，釋放出短暫而強大的引力波爆發。這次爆發所產生的能量以光速在宇宙間傳播，將其能量稀釋在廣袤無垠的太空中。

十億多年後，這次爆發的能量以極其微弱的信號抵達地球，大約持續了十分之一秒。2015年9月14日，來自美國激光干涉引力波觀測台（LIGO）的科學家在他們的工具中捕捉到了引力波所發出的弱弱的鳴叫——由此，愛因斯坦100年前所做出的預言第一次得到了證實。

LIGO在美國國家科學基金會的指導下工作，動用了兩台先進的干涉儀。這兩台高科技奇觀坐落在美國的兩端，利用光的干涉原理運行，投入不久就成功測量到了引力波（稱為GW150914）。它們通過測量干涉儀臂長的變化監測到引力波所引起的時空幾何的扭曲。在GW150914的例子中，干涉儀臂長變化不到質子大小的千分之一。

監測如此微小的變化是一個極其艱巨的挑戰，因為各種雜訊都可能影響到測量，破壞其準確性。LIGO通過比較兩台干涉儀的測量結果，從無處不在的太空混亂中挖掘出微小段在的鳴叫。一台干涉儀的雜訊與另一台不相關——這和來自過路引力波的信號不同，引力波信號應該首先在一處發生，接著在另一處發生。來自GW150914的信號就存在必如此令人印象深刻的準確性，可以排除其為疑似隨機事件的一切可能性。

這一成果能否贏得諾貝爾獎是毫無疑問的；唯一的問題是應該由誰獲得。LIGO的成功不僅僅只是技術的勝利；它也是——並且更重要地——一個世紀以來理論物理學家對引力波的數學描述的結果——不僅僅是愛因斯坦，也包括殷菲德（Leopold Infeld）、戈德伯格（Joshua Goldberg）、費曼（Richard Feynman）、皮拉尼（Felix Pirani）、羅賓遜（Ivor Robinson）、邦迪（Hermann Bodi）和里奇內羅維茨（André Lichnerowicz）等人。

具體而言，LIGO的發現因為波蘭物理學家特勞特曼（Andrzej Trautman）和法國物理學家達摩爾（Thibault Damour）而成為可能，特勞特曼給出了引力波理論的嚴格數學形式，達摩爾開發了用觀察到的波陣面破解波的來源信息的實用數學工具。他們的工作奠定了讓LIGO得以成功的理論的紮實的數學基礎。

愛因斯坦的廣義相對論是人類最偉大的知識成就。但沒人因為為廣義相對論發展數學基礎而贏得諾貝爾獎。諾貝爾獎曾經授予用發現確認廣義相對論的一些重要預言的實驗物理學家；也曾經授予做出純粹數學工作的量子物理學家，但從未授予研究相對論的純理論家。

我希望今年諾貝爾委員會能認識到理論工作的重要性，做出正確的頒獎選擇：授予一位實驗物理學家，因為他發展了LIGO背後的技術概念；以及兩位純理論家：特勞特曼和達摩爾。

LIGO——及其歐洲姊妹版Virgo——還有很多東西有待發現。對引力波的測量不僅將為迄今為止完全無法企及的現象提供洞見——如大爆炸、黑洞地平線（black hole horizons）和中子星內部情況；還能引起一場我們對宇宙的理解的革命。

廣義相對論描述大規模的（large-scale）物理現象：人類、岩石、行星、恆星、銀河、整個宇宙。另一方面，量子力學在以最小規模——夸克、電子、原子和分子——描述宇宙方面也同樣成功。

但這些現代物理學的基礎理論彼此不相容，甚至相矛盾。人們歷經千辛萬苦，仍然尚未建立量子引力論。一些與黑洞有關的特殊現象的權宜量子引力模型已經提出；但是，由於均未經受實驗檢驗，沒人知道這些模型是否正確（事實上，其中一些模型導致了尖銳的悖論）。

許多物理學家堅信這些問題意味著我們對於自然的基本原理的理解存在遺失的一環。在絕望中——常常也伴隨著自大——一些人提出了完全瘋狂的量子引力概念，包括不同於標準的愛因斯坦黑洞的離奇概念。結果，對今天的許多物理學家而言，調和兩大理論的真正的根本性問題蛻變為毫無意義的浮誇演繹。

我們需要的是紮實的實驗事實來掃除一切無意義的聒噪，甚至是啟發難題的解決辦法。而這正是未來引力波測量能夠提供的。

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