明天, 舉世矚目的引力波新聞發布, 有意外劇透。。。

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100年前，愛因斯坦理論預言引力波存在。明天，美東時間2016年2月11日上午10:30， 北京時間晚上11:30，加州理工學院、麻省理工學院、LIGO科學聯盟、以及美國國家科學基金會，將發布尋找引力波的最新進展。

激光干涉引力波天文台 (LIGO) 探測到引力波的謠言，已經流傳了一陣子！百年物理謎底，是否即將揭曉？ 全世界都在翹首以待這一歷史性時刻，不但Nature和Science都忍不住放下身段，在文章出來之前紛紛八卦，物理學家更是集體高潮，就連大眾媒體如CNN和BBC等，都迫不及待地發布引力波新聞發布會的新聞。

這個工作真的如謠言所說，發表在Nature么？今天，Nature網站一如既往地更新本周最新論文，上面沒有引力波探測！ 這是怎麼回事？

引力波到底是什麼東西？ 愛因斯坦認為不可能觀測到的，LIGO有能力突破么？請聽知社學術圈為您深度解析。

明日新聞發布會後，知社學術圈將第一時間獨家發布加州理工引力波權威專家內幕評述，敬請關注、期待。

先送大家一張請柬，來自加州理工大學校長, 著名物理學家Thomas Rosenbaum教授，邀請您出席明天新聞發布會，北京時間晚上11：30分：

全世界等待這一天，已經100年。上周，Science甚至迫不及待地貼出小道消息，言之鑿鑿地說，引力波文章，將發表在2月11日的Nature：

可是問題來了，Nature雜誌每周文章的更新，都是在美國時間周三，也就是10號。那新聞發布會怎麼可能安排在周四呢？ 事實上，今天Nature本周最新論文已經在其網站更新，上面沒有引力波探測論文！ 有的只是關於引力波的八卦！因此幾乎可以確認，這篇歷史性論文不會發表在Nature上。

難道是每周四更新的Science在這場爭奪中勝出？ 亦或是這幫物理學家們，更看重其他的學術期刊？ 讓我們先放下這些謎團，走進LIGO，為明天的新聞發布會，先做一些功課。

一月份的南路易斯安那細雨綿綿，這多虧了墨西哥灣吹來的濕氣。就地理位置來說，這裡偏僻得不能再偏僻了，但從人類在浩瀚宇宙中尋覓引力波這個層面來講，這片森林絕對是物理界的中心。一百年前愛因斯坦提出的理論，如今在這塊土地上獲得證實。曾經杳無人跡的無名之地，現在變成了科學界的原爆點。

根據廣義相對論，巨大質量能夠令時空捲曲，這就像我們站在蹦床上時引起床墊變形一樣。當高密度、大質量的物體在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它們會在時空的墊子上泛起漣漪。這些波紋攜帶著大質量物體的引力輻射，在廣闊的宇宙中傳播。路易斯安那天文台的存在就是為了捕捉這種微弱的波動。

天文台有一座教育中心，每周會接待幾波來自附近地區的學生參觀學習。路易斯安那州立大學物理教授Giaime是這裡的負責人，「我最常被問到的問題就是：為什麼我們要尋找引力波？」這是個好問題，而最直接的答案是，它將幫助我們驗證1916年愛因斯坦提出的廣義相對論，這意味著時空是可以扭曲的。

當然，這個問題說來話長。在宇宙里，能夠產生引力波的物體一定是那些最具能量，最狂野，也最有趣的地方。找到它們將為人類打開前所未有的宇宙級視野。引力波可以為我們展示引力的最強狀態，比如黑洞；引力波能夠讓我們看到物質密度最大時的樣子，比如中子星；它還能揭示出星系大爆炸的新信息，比如超新星爆發，黑洞和中子星的融合。Giaime說道，「恐怕我們只有通過引力波才能去了解這些東西。」

簡而言之，引力波是我們揭開宇宙奧秘的鑰匙。

一個月前，知名理論物理學家Lawrence Krauss在推特上發了一條震驚物理界的消息：「我之前關於LIGO的傳言已得到獨立消息的證實。時刻關注吧！引力波看來是已經發現了，興奮！」這條推文被轉發了3400次。

Lawrence Krauss

看來這次是挺靠譜的。過去15年里，LIGO的高級研究員們曾兩次將假信號植入數據作準確性測試。如此耗時的操作只是為了預演數據分析方法，以保證真有引力波信號出現的時候，研究團隊可以準確識別。上一次測試是在2010年，而這次出現的神奇信號發現於2015年9月，Krauss表示這兩者沒有關聯。

他曾就此事問過Giaime，然而得到的答覆簡直含糊其辭地完美至極。不過這也很正常，用Krauss的話說：「要知道我們都很保守。我們分析數據，如果發現了有趣的東西，就會發在論文上。只有當這些發現通過了同行評議並被期刊接收後，我們才開始拿它吹牛。在這之前，別想從我這套出任何話。」

對於Giaime來說，謹慎是可以理解的。數百位物理學家已經在這條路上研究了好長時間。Giaime本人已經在引力波研究上投入了30年，這基本是他整個職業生涯。

Joseph Giaime

早在1972年，麻省理工學院物理學家Rainer Weiss (他正是Giaime的導師) 曾提出如何開展像LIGO這樣的引力波探索。隨後的十多年裡，麻省理工和加州理工的物理學家們根據這早期研究進一步開發完善。1989年，這兩所頂級的工程大學雙劍合璧，向國家科學基金會 (NSF) 提出合作項目申請。

國家科學基金會自1979年以來就一直支持著雙方的工作，對這一聯合項目更是給予大力支持，撥出10億多美元支持項目的研究、建設、運行。兩所天文台就此建成，分別位於路易斯安那州的Livingston和華盛頓州的Hanford。

NSF物理部項目總監Marronetti表示：「愛因斯坦曾在100年前預測了引力波的存在，但近40年來，是數百名科學家和工程師的不懈努力，以及國家科學基金會的決心和遠見，才有了LIGO的今天。」

幾天前， Science發布的新聞中貼出了加拿大麥克馬斯特大學理論物理學家Clifford Burgess的一封郵件，儘管未經官方證實，但信中已表明LIGO的兩個探測器探測結果一致，引力波傳播速度為光速，來自於兩個黑洞的融合！這次探測信號強度很高，達到5.1西格瑪（物理學家通常將超過5西格瑪信號定義為比較確定的發現），黑洞質量分別為36和29個太陽質量，合併後為62個太陽質量。他們甚至探測到了併合以後的振鈴 (ring-down) 信號，它最終變成了一個克爾黑洞 (Kerr)。

明天，隨著新聞發布會的召開，關於引力波的傳言或許終將獲得確鑿證實，亦或是證偽？

就探測器來說，總是有可能無法找到引力波的。1887年，阿爾伯特·邁克耳孫和愛德華·莫雷曾設計了一個精巧的實驗來探測以太。理論上講，電磁力和引力可以通過這種介質進行傳播。他們所製造的正是一個干涉儀。

在干涉儀中，光束通過特製的鏡片分成兩路。一束光繼續直行，另一束則以90度反射。兩束光通過相等的距離各自抵達預置鏡片，並重新反射回中間的光束分離裝置。在這個經典實驗中，如果兩束光線經由相同的光程並同時返回，它們將相互抵消。但如果一條光束前進更快，返回更早，那麼兩條光束將產生干涉條紋。

邁克耳孫和莫雷的實驗當然沒有找到以太，這已成為史上最著名的失敗實驗之一。不過，這為愛因斯坦的相對論奠定了基礎，後來的物理學家把他們的干涉儀應用到了各類實驗之中。

Livingston的天文台可以說是一個巨型的邁克耳孫干涉儀。兩條「胳膊」各有4公里長，在南路易斯安那的松林中開闢出一個巨大的「L」區域。儘管擁有長達邁克耳孫干涉儀360倍的巨型臂膀，對於探測引力波來說還是太短了。

按照愛因斯坦的相對論，物理學家希望接收到的引力波是在一個方向將空間拉伸，在另一個方向上將空間壓縮的。因此干涉儀的長臂主要是用來測量長度上的微弱區別。也就是說，當引力波出現的時候，光線在兩條真空管中返回探測器時會形成干涉條紋。如果沒有引力波，兩條光束將完全抵消。

但是這個距離上的差別實在是微乎其微。這將好比拿著一根10²¹米長的棍子，要測一測它有沒有5毫米的收縮。實際上，物理學家們需要測量的距離比一個質子還要小1萬倍。

要達到這個級別的精度，LIGO採用了「法布里－珀羅諧振腔」設備，將額外鏡片放在分離器附近以使激光在真空管中反射400次。這樣，激光在管道中所通過的距離被擴大到1600公里。

消聲的巨獸

天文台的實驗室中放著各種儀器設備，Giaime說：「這裡幾乎所有的設備上，都沒有商標。因為這些都是我們自己製造的，或者按照我們制定的規格製造。這樣其實不好，做這些東西花費了我們大量精力。」

設計並製造這樣極高精度的儀器只是LIGO科學家們所面對挑戰的一半。另一半是和外界干擾因素的鬥爭。比如，附近公路上轟隆隆開過卡車會有影響，幾十公里外海浪拍打路易斯安那海岸會有影響，甚至一兩千公里外的地震活動都會帶來影響。

Giaime介紹，如果他們把光學設備和束射管建在地裡面，那麼周圍走動的人、吹過的風、暴風雨……方方面面的干擾因素將是系統標準噪音的1000萬倍。

地震隔離系統 (部分)

天文台內部有一套減震系統。實驗室的地震隔離感測器首先在所有頻率上探測天文台附近的環境震動，然後通過計算機系統進行相應的減震處理。在主控室中，激光發射並被分離成兩束，送至兩條真空管中。這些敏感的光學儀器被安置在1米高的加固混凝土石板上。主動與被動減震系統聯合運行的時候就像消聲耳機，只不過具有更高的自由度。

選擇路易斯安那與華盛頓州這兩個相距甚遠的地點建立天文台，原因在於如果兩邊同時觀測到同樣的引力波信號，那麼物理學家們知道這並不是周邊區域的環境震動影響。

LIGO設備從2002年開始記錄數據，不過起初都是測試運行來為設備熱身。Giaime說，路易斯安那天文台的設備在2005年秋季達到 「設計靈敏度」 ，當時正好是卡特里娜颶風肆虐新奧爾良 (距天文台112公里) 過後，附近連旅館都訂不到，很多訪問學者只能睡在拖車裡。

第一階段的運行一直持續到2010年，然而物理學家們並沒有發現任何有趣的東西。實際上，他們也沒有指望發現什麼。後來，國家科學基金會再次撥款2億美元對天文台進行升級。這次改造幾乎涉及了LIGO的方方面面，激光發射源、核心光學設備、地震隔離系統......全部升級。

激光在這裡被分成兩束

在大量的假設基礎上，物理學家們根據原始設備推算出，他們能夠觀測到來自15個百萬秒差距之外的引力波，這個距離相當於5000萬光年。如果和距銀河系最近的主要星系仙女座星系 (250萬光年外) 對比，這已經挺遠了。但就整個可觀測的宇宙範圍來講 (約930億光年)，原來的LIGO探測器確實有很大局限。這次升級之後，LIGO的觀測範圍達到2.3億光年，優化之後性能會更好。

這次應該夠了，Giaime表示，在升級以前，物理界都認為升級版的探測器應該滿足常規的引力波觀測。「大部分人至今都同意這一點」。

升級後LIGO從2015年8月開始正式運行。在今年1月它就已經做出了結論。如果觀測中確實發現關鍵的結果，如果傳言是真實的，那麼相信相關論文將很快發表出來。

如果不是的話，那麼要再等幾年讓探測器積累數據嗎？「我從1986年開始就一直在研究引力波，」Giaime說，「如果這次還是沒有發現什麼，那我們很多人都會很失望的。」

早在1993年，天體物理學家Russell Hulse和Joseph Taylor因發現脈衝雙星而獲得諾貝爾物理學獎。作為超新星爆發的遺迹，脈衝星也被稱為中子星。它們直徑只有20公里左右，但質量卻超過太陽，令人難以置信。所以中子星是被壓縮的，密度極高的天體。

Hulse和Taylor所發現的雙星圍繞彼此以橢圓形軌道運行。當它們相互靠近的時候，理論上講可以產生強烈的引力輻射。天體物理學家們幾年來通過監測其中一顆所發出的無線電波，發現了令人振奮的現象：雙星的軌道周期不斷衰減，這準確應驗了廣義相對論的預測。也就是說，雙星一定是在產生著引力波。不過，這與直接觀測到還是兩回事，只能算是間接證據。

NASA錢德拉X射線天文台觀測到的脈衝雙星光圈

最理想的是，當物理學家在地球上觀測到引力波的時候，天文學家也能夠在宇宙中找到製造引力波的災難性事件。倘若如此，LIGO天文台記錄數據的同時，需要做出快速而詳盡的分析報告，以便把尋找宇宙奧秘的接力棒交給天文學觀測者。然而，僅靠LIGO兩個天文台恐怕還無法滿足這個要求。

好在，目前義大利正在對一個巨型干涉儀進行升級，它將具備與LIGO升級版相近的性能。對天文學家來說這無疑是個好消息，因為這將與LIGO協同實現三角測量。同時，日本也在建造一個探測器。另外，美國已經為另一個探測器製造了光學系統，他們希望把它放到印度或者南半球，比如澳大利亞。這些進展將大大幫助人們進行引力波的探測。

引力波如果真的被探測到，不僅將再一次證實愛因斯坦的偉大，也為人類進一步了解宇宙提供了一個強有力的工具。與光不同，引力波在宇宙中不會因星際塵埃的影響而削弱。通過探測，天體物理學家們將不僅可以窺探宇宙中那些最具能量的區域，還能夠極大擴展探索的邊際。

人類所測量到的極小距離，卻能夠幫助我們探索最廣闊的空間。世界就是這樣奇妙。

參考文獻

Science, Nature, Arstechnica

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