捕捉引力波——廣義相對論發表100周年紀念

經過幾十年的努力，物理學家們稱在未來的一至兩年時間裡，他們或將能夠探測到天體運動產生的時空漣漪。

上圖：一片森林覆蓋了位於利文斯頓LIGO的兩條4公里的「長臂」。

位於路易斯安那州利文斯頓北部的一片林地，意料之外地成為了一個重要物理學問題的突破之地。站在拱形隧道的立交橋上，路易斯安那州立大學的物理學家約瑟夫·賈埃姆（Joseph Giaime）凝望著眼前這片狹長的火炬松林帶，其中一部分是砍伐後留下的樹樁，「這裡是一片伐木林，」他說，「每天都會有人來這裡砍伐原木。」

就在這裡，物理學家可能將證明愛因斯坦最為壯觀的引力理論（或稱廣義相對論）的預測。從東西向的長4公里隧道，與南北向同樣長的隧道在附近的一處建築物交匯——一台超靈敏的儀器，激光干涉引力波探測器（LIGO）就建在這幢建築物內。通過這台觀測儀器，科學家不久將有望檢測到中子星或黑洞合併時向外發出的時空漣漪。

早在近一個世紀之前，愛因斯坦就預測到引力波的存在。目前科學家正在努力尋找引力波存在的證據。利文斯頓和華盛頓漢福德的引力波檢測儀從2002年開始運作，直到2010年還沒有新的發現。事實上，LIGO最初的目的只是想證明這項實驗在技術上是否可行。如今，他們已耗資2.05億美元完成了對LIGO的升級，升級後的LIGO其敏感度將比原來的提高10倍。「這幾乎可以保證我們對目標的檢測。」在LIGO工作的紐約錫拉丘茲大學物理學家彼得·索爾森（Peter Saulson）說道。

對時空漣漪引力波的檢測將為人類觀測宇宙打開一個新窗口，儘管這項工作並非那麼容易。坐落在利文斯頓兩條隧道內的探測儀長臂裝有一對反射鏡，形成了一個「光學諧振腔」，紅外線光在裡面來回反射。為了探測空間拉伸現象，首先必須排除任何干擾對反射鏡造成的影響，以確保可以檢測到十萬億分之一長度的延伸或縮短，相當於一個原子十億分之一的寬度。當賈埃姆看了一眼立交橋後說，地震波會導致地面百萬分之一米的晃動，包括附近列車的隆隆聲和其他雜訊干擾。

LIGO建造始末

愛因斯坦在1915年曾說，當質量和能量令時間和空間扭曲時，就產生了引力。一年後他預測，大質量天體在產生某種振動時會在時空中產生漣漪——以光速前進的引力波。

幾十年來，對引力波的預測一直存在爭議，部分原因是廣義相對論在數學上是如此的複雜，即使愛因斯坦本人一開始也疑慮過的錯誤。麻省理工學院（劍橋）的物理學家萊納·韋斯（Rainer Weiss）說道，「愛因斯坦的預測是正確的，但他之後又產生了困惑。」包括一些理論家認為，引力波是數學上的一種假設，實際上並不存在。1936年，愛因斯坦經過嚴密的數學演繹，得出場方程能夠導出引力場波動的嚴格解。

韋斯說道，即使引力波是真實存在的，檢測到它們似乎也是不可能的。在科學家對宇宙引力的來源——中子星和黑洞——一無所知的年代，能獲知引力波存在的唯一來源是一對互相圍繞軌道運行的恆星。但計算表明，它們產生的引力波信號太過微弱而無法被檢測到。

到了1950年代，理論物理學家對中子星和黑洞進行推測後，終於認同了引力波的存在。1969年，馬里蘭大學物理學家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）甚至聲稱發現了引力波存在的證據。他的引力波檢測設備包括兩個長1.5米、寬0.6米的巨大鋁氣缸（其中一個在伊利諾伊州），並稱引力波可拉伸木條使其像音叉一樣振動，電子感測器可探測到這種拉伸現象。但其他實驗者無法複製韋伯的實驗結果，並認為其聲稱的引力波信號之強大令人難以置信。

然而，韋伯的實驗觸發並推進了LIGO的發展。1969年，韋斯在學校教授廣義相對論，但他自認為對廣義相對論還不十分了解，特別是他根本無法理解韋伯的實驗方法。於是他利用光學方法從辨別聲音的來源著手。「我是為完成教學任務想出這個辦法的，並作為作業布置給學生。」他說。

韋斯在1972年將他的這一想法發表在麻省理工學院的內刊上，但很難引起廣泛的關注。加州理工學院的理論家基普·索恩（Kip Thorne）回憶道，「當時在我看來，這顯然是空中樓閣。」索恩在參與編著的《萬有引力》教科書中表達了他的懷疑，「我有一種感覺，以這樣的技術永遠也探測不到引力波。」

1978年，索恩說服了加州理工學院花費200萬美元製造了一個40米臂長的干涉儀原型，並於1990年獲得美國科學基金會（NSF）建造全尺寸引力波探測器的支持。至此，在推進LIGO進程中索恩的作用至關重要——利文斯頓和漢福德的引力波觀測站終於在1994年開始建造。

科研觀測前哨站

現在，物理學家對改進後的LIGO充滿了信心，利文斯頓因此成為了一個科研觀測的前哨站。去年12月一個晴朗的早晨，大約30名物理學家、工程師、技術員聚集在一個大房間里，開始了為期10天的首次引力波觀測設備的試運行準備工作。

LIGO的原理很簡單，其干涉儀內部管道就如同真空室，彎管處的分束器向干涉儀的兩個長臂發出一道激光束（一分為二），長臂內，激光在兩端的反射鏡之間來回彈射，以增強光的強度。期間，一些光通過長臂兩端附近的反射鏡泄漏出去，然後又反射回激光分束器上。如果兩臂長度完全相同，光返回時，融合的光波重疊並相互干擾後直接返回激光器。

如果長度有絲毫差別，重新融合後的光波會出現不同步現象，從分束器中出來的光束將垂直於原始光束，物理學家就此可以從「暗埠」測量出兩臂長度和光的波長之間的細微差異。如果引力波通過儀器，對一個長臂的拉伸力量會大於另一個長臂，從而導致從「暗埠」出來的光以光波產生漣漪的頻率發生顫動，這就是引力波信號。

在具體實踐中，要從龐雜的振動雜訊中篩選出無窮小的信號，這對於LIGO來說是一個巨大的挑戰，引力波的「吟唱」頻率應該在每秒10到1 000次之間，或10至1 000赫茲，然而，光子以數百或數千赫茲的頻率與鏡面相撞時會產生白噪音。為了消除這種噪音影響，一是加大光束的量，二是部署更多的反射鏡。在數十赫茲或更低頻率時，地震波振動佔主導地位，因此將反射鏡安置在懸架系統上，以抵消地震波的影響。儘管如此，在世界任何地區發生的大地震，甚至是遙遠海浪的衝擊聲，都有可能干擾到干涉儀的正常工作。

為了將探測器的靈敏度提高10倍，物理學家已經對設備進行了升級：懸掛於石英纖維末端的重40公斤的反射鏡取代了原來重22公斤的反射鏡，光功率從原先的10千瓦有望提高到750千瓦，同時將收集10萬個頻道數據來監控干涉儀。負責漢福德引力波檢測儀的物理學家弗雷德里克·拉布（Frederick Raab）說道，新老LIGO的比較就好比「一輛汽車與一個輪子的差異。」

拉布說道，升級後的LIGO其靈敏度至少翻了一番，原先需要3至4年的工作量，現在只需6個月的時間。儘管工作進度加快了，但負責探測器調試的物理學家瓦列里·弗羅洛夫（Valery Frolov）告誡道，新機器的運行還需要磨合，包括消除地震波的辦法還應該更好，以及研究人員還未能將干涉儀「鎖定」並長時間運行。至於靈敏度，「我不知道是否還需要1年或更長時間才能達到設計的標準。」

儘管如此，LIGO研究人員還是計劃於今年進行第一次試運行，希望明年能達到設計靈敏度。「我們必須進行檢測，這樣我們才能夠捍衛我們的觀點，如果2016年不行，那就2017年或2018年。」路易斯安那州立大學的物理學家、擁有900名成員的LIGO科學合作團體發言人加布利拉·岡薩雷斯（Gabriela González）說道。

諾獎級的成就

LIGO的主要目標是中子星生成的引力波。升級前的LIGO發現距離我們5 000萬光年之遠的一對恆星爆炸（成對中子星極為罕見，能看到就更幸運了）。岡薩雷斯說道，升級後的LIGO其靈敏度將是之前的10倍，搜索範圍則提高了1 000倍，或可以保證每年不下於十個觀測目標。然而，也有人並不這麼認為，佛羅里達大學的理論物理學家克利福德·韋爾（Clifford Will）就是其中的一個。他指出，目標數量是引力波探測實驗最不確定的因素。「如果每年不到一個，可就不太好了。」

引力波探測同時也是一項全球性的研究項目。結合利文斯頓和漢福德LIGO探測器的數據，研究人員可以與同行彼此分享義大利VIRGO探測器（臂長3公里的激光干涉儀，正在升級）、德國漢諾威臂長600米的GEO600干涉儀的數據。通過數據比較，合作者可以更好地從白噪音中篩選出引力波信號，直至查明信號的來源。日本的一個探測器正在建設之中，LIGO負責人希望能在印度建立第三個探測器。

約翰·霍普金斯大學的理論物理學家馬克·卡米奧庫斯基（Marc Kamionkowski）說道，「我們是如此相信引力波的存在，實際上我們並不需要真的看到它。」這是因為1974年赫爾斯和泰勒發現了間接但令人信服的引力波存在的證據：兩個互相繞軌道運行的脈衝星以順時針方向有規律的發出無線電信號。他們認為，如果脈衝星是以引力波的形式輻射能量，那麼其衰變速率是完全可以預測的。

芝加哥大學的重力理論學家羅伯特·瓦爾德（Robert Wald）說道，「這好比讓我們既能看到，又能聽到。」例如，如果一個黑洞撕裂了一顆中子星，那麼引力波的細節就有可能揭示中子星內所含物質的屬性。未來真正的回報是，LIGO將在天文學領域開闢出一個新的前沿陣地。

總之，物理學家們認為，引力波探測具有重要的科學價值和意義。一旦探測到引力波，那就是一個諾獎級的成就。但要讓這個諾獎級的發現成為現實，物理學家們首先必須讓LIGO運行起來。

一個周二的早上8點，在LIGO控制室忙乎了一個晚上的加里·特雷勒（Gary Traylor）說道，一個低壓區在大西洋上空移動，造成高達20英尺的海浪衝擊著海岸，其海浪聲蓋過了探測器的聲音。是的，LIGO確實探到了波的存在，但那是波浪聲，而不是眾人翹首以盼的引力波。

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