愛因斯坦100年前說的引力波真的存在，是什麼人發現了它？

宇宙中的干擾可能導致時空伸展、崩塌甚至震動，就像床上的人翻身時床墊出現晃動一樣，由此產生了引力的漣漪：引力波。

愛因斯坦對這些引力波並不十分確定。1916 年，他告訴黑洞發現者卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）引力波不存在，後來又說它們存在。1936 年，他和助手納森·羅森（Nathan Rosen）打算髮表一篇論文，揭穿這一錯誤想法，但隨後又再次反口。

根據物理學家已經確定的方程，隨著引力波向外擴展，空間將在一個方向上壓縮，同時在另一個方向上伸展。

1969 年，馬里蘭大學物理學家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）聲稱，他利用一個六英尺（約 1.8 米）長的鋁筒作為天線探測到引力波的存在。他表示，一定頻率的引力波會讓鋁筒像音叉一樣鳴響。

其他人沒能複製他的結果，但很少有人懷疑引力波的真實性。韋伯博士的實驗啟發了一代科學家，他們愈發努力地尋找宇宙中愛因斯坦的痕迹。

1978 年，當時在馬薩諸塞大學阿默斯特分校的射電天文學家小約瑟夫·H·泰勒（Joseph H. Taylor Jr.）和羅素·A·哈爾斯（Russell A. Hulse）發現了一對互相繞行的中子星（恆星死亡後的超密殘餘）。其中一顆脈衝星能發出周期性的電磁射線。通過對脈衝記時，天文學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獎。

另一個名為 Bicep 的天文學家團隊在 2014 年登上新聞頭條，聲稱他們利用南極的望遠鏡探測到了來自宇宙大爆炸之初的引力波。但後來他們承認，其觀測結果很可能受到了星際星塵的污染。

加州理工學院的索恩博士和麻省理工學院的維斯博士最初相識是在 1975 年，維斯博士說，當時他們在華盛頓參加一個會議，兩人不得不共用一個酒店房間。索恩博士那時已經是一位著名的黑洞理論家，但他正在尋找新的實驗領域去征服。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。

後來，索恩博士將來自格拉斯哥大學的天才實驗物理學家德雷弗博士招致麾下，啟動了加州理工學院的引力波項目。德雷弗博士想用光（精確定位的鏡子之間來回反射的激光束）來探測過往波動的擠壓和伸展現象。

維斯博士試圖在麻省理工學院發起一個類似的項目，也使用激光探測方法，但在當時，黑洞這一主題在麻省理工已不再時興。（他說現在好多了。）

兩項工作都沒有技術優勢。根據研究人員的計算，來自外太空的一個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不到：只有十億兆分之一。維斯博士回憶說，當他向國家科學基金會的潛在資助者解釋這項實驗時，「他們都認為我們瘋了」。

1984 年，國家科學基金會下令兩個團隊合併，這讓德雷弗博士煩惱不已，卻令維斯博士鬆了口氣。索恩博士發現自己扮演著雙重角色，他既是引力波領域的傳道者，又是調解實驗分歧的中間人。

研究的進展相當緩慢。 1987 年，這三位物理學家被撤換，一位主管頂替了他們的職位——這是研究得以繼續進行的代價之一。

第一代實驗設備——初代 LIGO 於 2000 年投入使用，並運行了十年時間。這一時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 系統共有兩個引力波探測器，一個位於華盛頓州漢福德（Hanford, Wash.），另一個位於路易斯安那州利文斯頓（Livingston, La.）。它們都曾遭受過不同程度的破壞，前者的一條幹涉臂被卡車撞過，後者的一處接收天線則遭到過獵人的槍擊，不過這兩次事故並沒有損壞 LIGO 。

過去五年里，整個 LIGO 系統進行了重建，設備的靈敏度大大增加，探聽到某些東西對於研究團隊而言不再是一種不切實際的幻想了。

LIGO 的接收天線是 L 型的，垂直交叉的干涉臂長 2.5 英里（約 4 千米）。每條幹涉臂外部都包裹著鋼鐵和混凝土，內部則是幾英尺寬的真空室，裡面有著體積 250 萬加侖（約 9464 立方米）的真空區。干涉臂末端安有玻璃絲懸掛的鏡子，這些鏡子隔離周圍環境碰撞和聲音的效果遠超任何勞斯萊斯轎車。

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時，根據干涉臂的長度探測到直徑僅有質子直徑萬分之一的微小粒子——這種亞原子微粒太小了，甚至連功能最強大的顯微鏡都無法觀察到它們。

雖然 LIGO 的靈敏度已經提升到了極致，但是仍然只有最大型、最猛烈的宇宙振動才能讓探測器發出聲音。 LIGO 是為了發現中子星的碰撞而設計的，而中子星碰撞會產生猛烈的閃光——即所謂的「 γ 射線爆發」。

兩顆中子星彼此靠近時會旋轉得越來越快，轉速高達一秒鐘數百轉，它們會使時空幾何體發生振動，發出一種能夠在 LIGO 真空管「最佳聽音位置」聽得見的上升音調。

黑洞是恆星滅亡後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。但是沒有人知道黑洞是否會成對出現，也沒有人知道它們產生碰撞的可能性有多大。如果黑洞確實會成對出現並發生碰撞，那麼這一撞擊形成的波動肯定會比中子星碰撞形成的波動響度更大、音調更低。

長時間以來，索恩博士和其他科學家一直認為，這些就是 LIGO 會在首次有所發現時探測到的波動。但是就連索恩博士也沒有想到， LIGO 這麼快就探測到了引力波。

「它在沖我們發出波動，跟我們說你好」

9 月 14 日凌晨四點， LIGO 系統剛剛完成校準，正在進行所謂的工程性運轉。這時，利文斯頓觀測站出現了一個響亮的信號。「數據在尖叫，接著傳來了『砰』的一聲。」戴維·雷茨（David Reitze）回憶道。他是加州理工學院的教授，也是建造運行引力波探測器的 LIGO 實驗室的負責人。

七毫秒後，這一信號出現在了漢福德觀測站。 LIGO 科學家隨後斷定，這類信號同時因為巧合出現的可能性幾乎為零。當時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，本來在緬因州度假的他在用電腦簽到時發現了此事。「它在沖我們發出波動，跟我們說你好，」他說，「太棒了。信號很強烈，我簡直無法相信。」

物理學家們知道，對於中子星而言，這一聲波的頻率過低了。物理學家們詳細分析研究了聲波形成的原因，發現了宇宙一個偏遠角落發生的龐大天體活動：一對黑洞跳了最後一曲華爾茲（隨後撞到了一起），形成了這一聲波——而且這兩個黑洞比天體物理學家們此前預計的更大。

其中一個黑洞質量是太陽的 36 倍，另一個質量則是太陽的 29 倍。在彼此靠近的最後階段，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，聲音停止了，兩個黑洞合併成了一個黑洞，一個質量等同於 62 個太陽的宇宙陷阱出現了。全過程僅花費地球時間五分之一秒。

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，就能再現這個短暫的聲波。

這場合併消耗了相當於三倍太陽質量的能量，這些能量在一場看不見也幾乎感受不到的天啟中蒸發變成了引力波。如果把這一能量轉換成可見光，那麼它的亮度將會等同於 10²¹個太陽所發出的光亮。

不過，這個能量讓 LIGO 的鏡子只是做了一個質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後得出的對於黑洞的預測。

研究團隊表示，九月這一事件發生沒多久後， LIGO 又記錄到了另一個較為微弱的信號，這個信號可能也是黑洞發出的。據維斯博士所言，一月份結束的第一輪 LIGO 觀察運行期間， LIGO 至少探測到了四個信號。第二輪運行將於今年夏天開始。今年秋天，位於義大利的歐洲引力天文台（European Gravitational Observatory）運營的另一個探測器「升級版 Virgo 」（Advanced Virgo）探測器也將啟動運行。未來日本和印度也將有望有探測器投入運行。

如今，天文學家們知道了，宇宙中確實存在成對的黑洞。眼下他們正急切地想要知道，這些黑洞怎麼會變得如此巨大。據西北大學（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，有些恆星缺少比氦元素更重的元素。在變得十分巨大後，這些恆星沒有像其他恆星一樣先發生炫目的超新星爆炸、再形成黑洞，而是直接塌縮成了黑洞，沒有經歷超新星爆炸，所以才形成了巨型黑洞。另一種理論則認為，有黑洞沉入了恆星高度密集的球狀星團中心，經過吞噬形成了巨型黑洞。

芝加哥大學（University of Chicago）宇宙學家邁克爾· S ·特納（Michael S. Turner）說，天文學家曾一度把搜尋引力波看成是一場實驗，而不是一種觀測行為。「 LIGO 已經證明了它名字里代表觀測的 『O』 存在的合理性，」他說道，「也就是說，它將會是一個天文觀測台，每年觀測到數十起天文事件。」

100 年前，愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。如今，我們終於第一次直接探測到了引力波。激光干涉引力波天文台 LIGO 聽見了黑洞碰撞發出的聲響。