科學家終於找到了引力波?

作者 Stephen Luntz

編譯 雨遇

激光干涉引力波觀測站(LIGO)的北臂，傳言正是這裡見證了這激動人心的結論。

昨天，美國的激光干涉引力波觀測站(LIGO)已成功偵測到引力波的消息傳遍全球，讓很多物理學家興奮不已。作為愛因斯坦廣義相對論的一個理論預言，科學家們對引力波孜孜以求，卻一直難以捕獲它的蹤跡。但消息還僅僅是個傳聞，如果得到證實，將是迄今以來，本世紀最大的物理學突破之一。

找到引力波的傳聞最早在去年9月就在Nature上出現過，當時美國亞利桑那州立大學很受人尊敬的宇宙學家Lawrence Krauss在發布這一消息時，態度非常謹慎，他說：「我只能說正確率在10%～15%。」儘管找到引力波堪稱偉大，但激動人心的那一刻假如真的來臨，沒有人敢輕易斷言自己就是那個見證歷史的第一人。不過當地時間1月11日，Krauss改變了此前的基調，他發推特稱：「有獨立的消息來源表明，我之前提到的傳聞已經得到證實，引力波可能已被發現!! 太讓人興奮了!」

如果測量結果屬實，的確值得興奮。愛因斯坦提出，就像重物會將彈性表面壓彎一樣，大質量物體(星體)會扭曲時空，因而當其他運動著的物體和光線在接近這些星體時，其運動軌跡將會因時空扭曲而改變。愛因斯坦還指出，加速運行的大質量物體會產生時空漣漪，並向外傳播，就像加速運動的電子向空間輻射電磁波一樣。

那麼人們怎樣才能捕獲引力波的蹤跡，從而證實它的存在？其中一個方法是藉由脈衝星來間接觀測引力波，主要包括兩種方式：

其一，由脈衝星和伴星構成的雙星系統，在彼此相互繞轉的過程中，動能和角動量的損失以引力波的方式釋放出去，它們之間的距離會逐漸縮小，相互繞轉得越來越快，軌道周期縮短，甚至到最後碰撞併合。脈衝星雙星系統的軌道周期逐漸變短是廣義相對論的一個間接證明。

其二，將單個脈衝星當成是一個精準的時鐘，我們可以期待著它們安安穩穩地定期發出脈衝，可是如果脈衝星的脈衝在向我們傳播的過程中，遭遇到引力波的干擾，那麼脈衝滴答滴答的信號就會偏離你期待中的理想信號，有了多個偏離就可以反推出引力波的存在。

當然這些只是引力波存在的間接證據，對引力波的直接探測，才是對廣義相對論最有力的證明，而這個直接證據的存在與否一直是捉摸不定的。

於是，人們建造了若干LIGO探測器，試圖去直接觀測引力波。其原理如下圖：一束激光被分為兩束，每一束都分別在一系列反射鏡上來回反射很多次，再重新混合。如果激光在其來回反射過程中受到引力波的影響，行程所用時間就將發生改變；重新混合時，將觀察到激光位相偏移。所有LIGO探測器主要測量的就是這種時間變化帶來的位相偏移。

一個LIGO探測器的示意圖：引力波將導致其中一個臂輕微的長於另一臂，重新混合時，引起激光位相偏移。

2002年，第一台LIGO開始運行，2010年關閉。之後同一團隊大大提高了設備的靈敏度，於去年9月開始運行，隨後很快就有傳言說LIGO已多次觀測到引力波，但官方一直沒有公布消息。因為某種地質變化，比如地震，也會在觀測儀上引起某些類似引力波的測量結果，只有通過比較世界範圍內不同觀測站的測量結果，才能最終證實是否觀測到了真正的引力波。這是一個緩慢而痛苦的過程。一些所謂的「盲信號」也會加入進來，就看科學家是否能把這些偽信號從真正的引力波信號中區分出來了。

設在南極的BICEP2望遠鏡則採用其他機制探測引力波。2014年，其曾報道觀察到了引力波，但後來證實是一個數據分析失誤，以後人們對引力波觀測結果的報道就越來越謹慎。沒人願意讓這種事再次發生，所以LIGO團隊一遍一遍檢查他們的數據，確保萬無一失。這也給人們留出足夠的時間談論這件事。當然，這些談論一直僅限於某些物理學家內的小範圍討論。

最近，有人看到Krauss用很自信的表情輕描淡寫地說「有可靠消息表明那觀測到的不是什麼盲信號」。很多人指責他，說他這是試圖從那些真正取得這一發現的人手裡竊取榮耀，而且這樣散布傳言只會讓公眾對科學產生懷疑。

參考譯文

http://www.iflscience.com/physics/gravitational-wave-rumors-running-hot

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① 捕捉引力波：100億分之一納米的挑戰

② 待引力波撥動了天琴的弦