捕捉引力波：100億分之一納米的挑戰

經過數十年的努力，物理學家們稱他們在未來一兩年內就能探測到時空的漣漪。

這片小樹林地位於美國路易斯安那州(Louisiana)，人口1893人的利文斯頓(Livingston)的正北方。這裡並不像是你尋找物理學的重大突破時首先想要去的地方。約瑟夫·賈埃姆(Joseph Giaime)是一位距離巴唐·羅赫鎮( Baton Rouge)55公里的路易斯安那州立大學的物理學家。此時他正站在一個由一個奇怪的拱形隧道穿過的小天橋上，指著旁邊的細長的, 部分已經被砍伐而露出木樁和泥土的火炬松樹林說，「這是一個開發中的森林，工人們會來這裡砍伐樹木」。在一個秋天的傍午，似乎只有伐木工或者是獵人才會來這裡。

但是這裡的確是物理學家們驗證愛因斯坦最非凡的引力理論，即廣義相對論的地方。這個隧道至東向西長達4公里，並且和另一個類似的自北向南的隧道在一個附近的倉庫似的房子里交會。這個建築里放置了激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, LIGO)，一個極為靈敏的設備，可能在不久探測到時空中由於中子星或黑洞併合釋放的時空漣漪。

愛因斯坦在近一個世紀以前預言了這樣的引力波的存在。但是直到現在，對它的探測才達到了一個高潮。在利文斯頓的這個設備和它在華盛頓漢福德(Hanford)的孿生設備，從2002年起一直運行至2010年，但沒有看到任何東西。物理學家說，這只是LIGO設備的初步運行，其目的是為了證明探測實驗在技術上是可行的。現在，他們正在花費2.05億美元來改造被稱為高級LIGO的新探測器，其靈敏度應該可以比原來提高10倍，獲得真正探測引力波的能力。「就像人們在日常生活說的承諾一樣輕鬆」，在LIGO工作的雪城大學(Syrancuse University)物理學家紐約皮特·索爾森(Peter Saulson)說。

探測這些漣漪會打開一個觀察宇宙的新窗口。但是實現它們並不容易。每個隧道都含有一對鏡子，形成一個光學空腔，在裡面紅外線被來回反射。物理學家通過比較兩個空腔長度的細微差別來測量空間的伸展。但他們必須要在其他的嘈雜震動上來探測這些運動。賈埃姆(Giaime)說地面經常在百萬份之一米的強度上震動，這些震動是由地震波，附近火車的轟鳴，及其他的現象所造成。LIGO物理學家必須要將鏡子和這些震動隔離開來，這樣他們才能看見比這些背景震動要小10萬億分之一的空腔延展或收縮——也就是大約是一個原子長度的10億分之一。

在1915年，愛因斯坦解釋道，當空間和時間，即時空被質量和能量彎曲時，會產生引力。一年後，他預言大質量的物體，在經歷某種震蕩運動時會發出時空漣漪——以光速穿過時空的引力波。

在隨後數十年，這個預言充滿了爭議性，部分因為相對論的數學極為複雜。坎布里奇(Cambridge)的麻省理工學院物理學家雷納·韋斯(Rainer Weiss)說，愛因斯坦在最開始的時候犯了一個計算上的錯誤。「愛因斯坦一開始是正確的」，他說，「但他隨後弄錯了」。一些物理學家爭論到引力波其實是一個數學上的假象，而並不真實存在。在1936年，愛因斯坦曾短暫地認為自己是錯的。

麻省理工的雷納·韋斯 在43年前完成了LIGO工程的基本設計。

即使引力波是真實的，要探測它們也似乎是不可能的，韋斯說。在那個時代，科學家甚至都不知道宇宙的強力引力源——中子星和黑洞，唯一知道的最可能的引力波源是一對相互繞轉的恆星。計算顯示它們發出的信號微弱到不能被探測到。

到1950年時，理論學家們發現了中子星和黑洞，他們最終一致同意引力波應該是存在的。在1969年，約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)，一個在馬里蘭大學帕克分校(University of Maryland, College Park)的物理學家，甚至宣稱發現了引力波。他的裝置包括兩個1.5米長和0.6米寬的厚重圓柱鋁塊，其中一個在伊利諾斯州。引力波會拉伸這個鋁棒並讓它像一個音叉一樣震動，而電子感測器會探測到這樣的拉伸。韋伯看見了引力波一起穿過兩個鋁棒時的信號。但是其他的實驗小組並未能重複出韋伯發表的結果。物理學家爭論道他宣稱的信號難以置信的強。

儘管如此，韋伯的努力觸發了LIGO的產生和發展。在1969年，韋斯 (Weiss)，一個激光專家，被指派去教授廣義相對論。「那時我完全不知道韋伯的實驗」，他說。而且，因為他不懂韋伯的方法，所以他發展了自己的光學方法和識別相關的雜訊源的方法。「我自己想出了這個方法，並且我把它作為學生的家庭作業，」他說。

韋斯的方法發表在1972年麻省理工的內部期刊上，一開始並沒有引起人們的注意。「在當時，對我來說這個方法很明顯就像畫在天上的大餅一樣，永遠不可能行得通的，」基普·索恩(Kip Thorne)，一個加州帕薩迪納市加州理工學院的理論學家回想到。索恩把他的懷疑寫在他與其他人合作編寫的，發表於1973年的《引力》這本厚重的教材上。「我有一道練習題是證明這個方法是不可能探測到引力波的」 索恩說。

但是在1978年索恩開始重溫這個想法，並且他說服加州理工花費2百萬美元來建設一個40米長的原型干涉儀。「這完全不是一個難以獲得資質項目，」索恩說，「跟麻省理工的情況對比起來的話。」韋斯說索恩在1990年從國家自然科學基金會獲得全尺寸的探測器的支持發揮了關鍵的作用。在利文斯頓和漢福特的LIGO建造開始於1994年。

現在，許多物理學家說高級LIGO在引力波探測上可以說幾乎勝券在握。在一個十二月的明亮早晨，在利文斯頓的研究員們開始著手一個為期10天的預運行，標誌著他們的首次觀測嘗試。利文斯頓的LIGO有一種前哨陣地的感覺。大約30名物理學家、工程師、技術人員和操作員聚集在一個為員工提供休息、報告廳和——邊上有一個乒乓球桌的——康樂室的大房間。「第6次工程運行在8分鐘以前開始了」， 賈寧·羅密 (Janeen Romie)，一個加州理工的工程師說。這看起來很奇怪，因為只要如此少的人就能運行這樣一個大型裝置。

但在原理上，LIGO是很簡單的。在干涉儀管道一樣的真空腔內，一束激光在裝置的肘型轉彎處照亮了一個分光鏡，將光平等地分在干涉儀的兩臂上。在干涉儀的每個臂上，光場在當它在兩端的鏡子上來回反射時建立了起來。部分光在靠近光臂尾部的鏡子上漏出並照射在分光鏡上。如果兩個光臂長度精確相等，則匯合的光線會以某種方式重疊、干涉，並回到激光器上。

但是如果長度有細微的不同，則匯合的光波會從同步狀態中脫離出來，光線會在分光鏡上與原來光線相垂直的的方向上射出。從這個「暗埠」的輸出，物理學家可以測量臂長之間極小的、比光波波長小得多的不同。因為引力波穿過裝置時，通常會導致其中一個光臂拉伸的長度比另一個光臂更多，這會導致光波的亮度以引力波振蕩的頻率在暗端變化。這個光亮就是引力波的信號。

在LIGO干涉儀內，從兩個光臂中漏出的光波，通常會相互干涉並回到激光器中。引力波通過以不同的幅度拉伸兩個光臂的長度，會改變干涉儀的狀態並使得光線進入到探測器中。

需要指出的是，LIGO面臨著從眾多的背景雜訊信號中分離出極小的引力波信號的巨大挑戰。引力波源通常會以10到1000次每秒的頻率，或赫茲，「歌唱」。但是在數百或數千赫茲上，激光器上的單個光子在與鏡子碰撞時會產生噪音。為了平滑這樣的雜訊，研究人員採用加大光強並裝置厚重的鏡子的方法。在頻率為數十或更低時，地震波震動主導，所以研究人員使用複雜的懸掛系統將鏡子懸空，並動態地糾正地震波的震動。但是，在地球上任何地方的大型地震，甚至是在遙遠海岸的海浪衝擊海岸時，都可以讓干涉儀脫離同步狀態。

為了使漢福德和利文斯頓探測器的靈敏度提高10倍，即到達100億分之一納米，物理學家們對裝置進行了完全的改造。每個原來像一個重鎚一樣用鋼纖維懸掛著的22千克的鏡子，被替換成使用硅纖維懸掛在一個四重鎚鏈的尾端的40千克的新鏡子。LIGO的激光功率原來只有10千瓦，現在研究人員希望能達到750千瓦。他們會收集10萬個頻道的數據來監視干涉儀。對比新的和舊的LIGO，「就像比較一輛汽車和一輛自行車，」 弗里德里卡·拉布(Frederick Raab)，一個漢福德站址的加州理工的團隊首席物理學家說。

新的利文斯頓裝置已經將原來的LIGO靈敏度提高了一倍。「在6個月里他們已經完成了過去時LIGO花3到4年的進展」。拉布說，而漢福德站的進展已經落後6個月了。但是瓦萊里·弗羅洛夫(Valery Frolov)，一個負責運行利文斯頓裝置的加州理工的物理學家，謹慎地表示裝置還沒有達到預期的指標。地震波的隔離應該能做的更好的，他說，並且研究人員還不能將干涉儀保持在「鎖定」並運行較長的時間。如果要達到預期的探測靈敏度，「我不知道是否要像原來的LIGO一樣，需要1年甚至5年的時間」，他提醒到。

但是，LIGO的研究人員計劃今年開始首次觀測運行，並希望能在明年達到設計靈敏度。「我們將會得到可靠的、有說服力的探測，即使不在2016年，也會在2017年或2018年」。加布里拉·岡薩雷斯(Gabriela Gonzalez)，一個路易斯安那州立大學的(LSU)的物理學家、超過900人成員的LIGO科學合作部發言人說。

對比初始LIGO，高級LIGO可以探測到10倍遠的引力波源，搜索1000倍大的空間區域。這樣大的體積內應該可以探測到多個引力波源。

這個預測是基於恆星統計學。LIGO的主要目標是一對中子星——超過太陽質量的、爆炸後殘留的半徑只有數十公里寬的恆星核——繞轉著向對方掉落，並在最後的數分鐘內併合時發射的引力波信號。初始LIGO可以在5000萬光年範圍內探測這樣的一對中子星併合事件。考慮到中子星雙星極其稀少，不能保證在這樣小的尋天區域內能看到一次這樣的事件。高級LIGO可以看到10倍遠的距離並探測1000倍大的空間體積，大到足夠探測到每年10個這樣的源，岡薩雷斯說。然而，克利福德·威爾(Clifford Will)，一個在蓋恩斯維爾的佛洛尼大大學的物理學家，注意到引力波源的數目是實驗中最不確定的部分。「如果數量少於1個每年，那結果就不太好了。」他說。

探測將是全天的。研究人員不但會結合從兩個LIGO探測器上的數據，還會將他們的數據與在VIRGO探測器項目上工作的同事們共享。VIRGO探測器是一個靠近義大利比薩的3公里長的，最近正在升級的干涉儀。還有GEO600， 一個在德國漢諾威的600米臂長的干涉儀。通過對比數據，合作者們可以更好地從雜訊中將數據篩選出來，並將源在天空的位置定位。日本的研究人員也正在建設一個探測器，LIGO的領導們也希望在印度增加第三個探測器。

對於理論學家——如果不是對於全世界的其他人——而言，首次探測引力波，在某種意義上說反而會是令人掃興的。「我們是如此相信引力波的存在，以至於我們實際上不需要去發現它。」馬克·卡米奧科夫斯基(Marc kamionkowski)，一個在馬里蘭巴爾的摩市的約翰霍普金斯大學的理論學家說。這是因為在1974年，美國天體物理學家羅素·赫爾斯(Russell Hulse)和約瑟夫·泰勒 Jr.(Joseph Taylo Jr.) 發現了引力波存在的令人信服的間接證據。他們發現了兩顆脈衝星——發出有規律的周期性射電信號的中子星——互相繞對方旋轉。從脈衝時間信號中，赫爾斯和泰勒可以監視脈衝星的軌道運動。他們發現其軌道周期(或半長徑)以廣義相對論所預期的那樣精確的衰減——如果脈衝雙星在不斷地輻射出引力波的話。

LIGO的真正貢獻是開啟了天文學中一個新的前沿，羅伯特·瓦爾德(Robert Wald)，一個伊利諾斯州的芝加哥大學引力理論學家說。「就像在能看見(引力波)以後不久，就能聽見(引力波)了一樣」。瓦爾德說。比如，如果一個黑洞撕裂了一顆中子星，納米波引力輻射的細節會揭示出構成中子星物質的性質。

總而言之，探測到引力波的科學家，會被授予最高的科學榮譽，物理學家們說。「一旦發現了引力波，就能拿到一個諾貝爾獎，」 卡米奧科夫斯基預計。「那將會是一個非凡的實驗成就」。但是其獎勵最多可以由三個人分享，所以問題就變成誰能拿到它。

許多人說維斯會十拿九穩獲獎。但是他表示異議。「我不想否認我的工作中有一些革新，但這並不是一個人得到的，」他說。「一個孤單的瘋子在一個箱子里工作，那樣並不會獲得真理。」在1962年，兩位俄羅斯物理學家發表了一篇使用干涉儀探測引力波輻射的文章，就像維斯所說的，他在1972年發表了他的工作以後很久才知道這件事。在1970年，加州馬利布休斯航空公司羅伯特·福沃德 (Robert Forward)，運行了一個小的干涉儀。LIGO元件的關鍵設計來自加州理工1979年至1987年的項目首席羅納德·德雷弗(Ronald Drever)。這個人，索恩(Thorne)說，「應當被認為是LIGO項目的創立者之一」。

但是為了得到這樣一個能獲大獎的發現，物理學家們必須讓高級LIGO完成並運行起來。在星期二早上8點，LIGO的操作員加里·特雷勒(Gary Traylor)在晚班中換班下來。「昨天晚上完全被浪費了，」他用輕微的南方口音說，坐在明亮的控制室的旋轉椅上。「在南極洲有一個低壓區移動，導致20英尺高的浪打在海岸線上，」德雷勒說，這個遙遠的轟鳴信號淹沒了探測器的探測信號。所以在午夜以後，LIGO的確探測到了信號，只是這不是大家所希望看到的信號。

(原文刊載於2015年3月6日出版的Science雜誌，標題：「To catch a wave」,DOI：10.1126/science.347.6226.1084)