譯言網 | 人類第一次觀測到愛因斯坦的「時空漣漪」

很久以前，在宇宙深處，由兩顆恆星形成的兩個巨大黑洞——它們具有超強的引力場——碰撞坍塌至無限小的點，慢慢地合在一起。剩下的物質繞著彼此旋轉，距離也越來越近，直到大約13億年前，它們以光速一半的速度在旋轉著，最後合併到了一起。這次碰撞撼動了宇宙：產生了空間和時間上的「波紋」——引力波。五個月前，它們經過地球。而且，物理學家也是第一次觀測到它們，完成了一項持續了四十年的對於宇宙的研究。

他們發現了引力波

這項發現標誌著激光干涉引力波觀測台（LIGO）1000位物理學家的勝利。LIGO是位於華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓的兩台巨大的儀器。關於檢測到引力波的流言已經流傳了好幾個月。今天，在華盛頓特區的一個新聞發布會上，LIGO小組將它公之於眾。「我們終於做到了！」加州理工大學的物理學家和LIGO執行董事David Reitze說。「關於它的流言大多猜測到了這項研究結果。」

愛因斯坦在100年前就預測引力波的存在，但是，要直接觀測到它需要超凡的技術實力和長時間的觀測。（見下方的引力波探索歷史時間表）。LIGO的研究人員發現，在來自宇宙的10²¹束波中，有一束使整個地球膨大了1 / 100000納米——大約是原子核的寬度。這項觀測以前所未有的精確度檢驗了愛因斯坦的引力理論和廣義相對論，並提供了黑洞存在的證明。「這項研究會贏得諾貝爾獎。」巴爾的摩約翰·霍普金斯大學的理論物理學家Marc Kamionkowski說。

LIGO研究人員用「超精密尺子」來觀測極小的空間擴展：它是兩個L形的、4公里長的干涉儀。在每條臂末端的鏡子形成很長的共振腔，激光光束以精確波長來回反射，就像管風琴一樣產生共振。在雙臂的中間，兩條光束可以重疊。如果它們沿著臂傳播了不同的距離，它們的波就會互相干擾。這將導致一部分光具有起伏不定的波，從被稱為「暗口」的地方出去。

在干涉的過程中，研究人員就可以比較兩臂的長度，精確到質子寬度的1 / 10000——足以檢測到引力波，因為它會使兩臂長度不一樣。然而，為了能觀測到如此微小的位移，科學家必須去除其它的振動帶來的影響，如地震波、交通工具和遠處海浪的聲音。

2015年9月14日，通用時間9:50:45時，即路易斯安娜當地時間凌晨4:50，華盛頓當地時間凌晨2:50，LIGO的自動化系統檢測到了這樣的信號。振蕩以每秒35個周期（赫茲）的頻率出現，並加速至250赫茲，0.25秒後消失了。像這樣的頻率增加，即啁啾聲，符合兩個巨大天體互相旋轉時發出的波的特徵。在路易斯安娜和華盛頓之間檢測到0.007秒的信號延遲也是符合科學道理的：以光速傳播的波花了0.007秒從一台檢測儀傳到另一台檢測儀。

LIGO研究人員在本應該發表在《物理評論快報》上的文章中說，這次觀測結果的發布打破了物理學家常用於檢測結論是否具有統計學意義「five-sigma」標準。這次觀測的證據是如此的有力，從原始數據中就可以看出了。路易斯安那州立大學的物理學家、LIGO的發言人Gabriela González說，「只要過濾數據，這是顯而易見的。」

與計算機模擬的比較表明，波來自兩個分別比太陽大29和36倍的天體，在合併之前，它們在彼此相距210公里處互相旋轉。只有黑洞——具有巨大的引力能量，其質量可以通過愛因斯坦的著名公式E = mc2計算——才可以在那麼小的空間里壓縮進這麼大的質量，德國漢諾威引力物理研究所的LIGO成員Bruce Allen說。這次觀測提供了另一種全新的黑洞存在的證據——而不是通過觀測距離它們遙遠的熱氣體或恆星旋轉。Allen說：「以前，人們可以在理論上論證黑洞是否存在，而現在就用不著了。」

這兩個天體的碰撞產生了驚人而不可見的爆炸。模型表明，最終黑洞質量總計是太陽的62倍，比初始黑洞的質量少了3個太陽的質量。失去的質量變成了引力輻射——質量轉化為能量，正是這種轉變使原子彈的爆炸看起來像是打出了一個火花。Allen說：「在碰撞的十分之一秒中，它們的亮度比銀河系中所有的恆星都要亮，即產生的引力波更多。」

其他的恆星爆炸——被稱為γ射線爆發，在一小段時間內也會比正常恆星要亮，但這次在黑洞中的爆炸則使其他的恆星爆炸黯然失色——在加州理工學院引導了LIGO發展的引力理論家Kip Thorne說：「它是迄今為止，除了宇宙大爆炸之外，人類觀測到的最強爆炸了。」

5個月來，LIGO的物理學家都在努力抑制這個消息的流通。通常情況下，大多數的團隊成員都不知道這個消息是否真實。LIGO會定期將數據和稱為「盲注」的秘密假數據混合，用來測試設備並保持研究人員關注他們的工作。但在2015年9月14日，盲注系統並沒有啟動。物理學家們最近才給這台機器完成了一項為期5年、花費了2億500萬美元的升級。在研究人員們激動地開啟新機器，進行「工程運行」時，它其中的一些系統，包括盲注系統，並沒有啟動。因此，整個研究團隊都知道，這項觀測結果可能是真的。「那天我對此深信不疑。」González說。

不過，LIGO物理學家不得不排除每一個可能錯誤的數據，如它是一種惡意的惡作劇。「我們花了約一個月來檢測數據是否真實。」Reitze表示。對於González來說，檢查數據「是重大的責任」，她說：「這是人類第一次探測引力波，所以不能有任何錯誤。」

證明了引力波的存在可能不是LIGO最重要的事件，因為也有其它一些引人注意的間接證據。1974，美國天文學家Russell Hulse和Joseph Taylor發現了兩顆發射無線電的中子星（被稱為脈衝星）在繞彼此旋轉。通過對脈衝星計時，Taylor和同事Joel Weisberg發現這兩顆星正在慢慢地不斷彼此靠近——若它們在向外輻射引力波的話，它們就應該互相靠近。

引力波帶來的科學前景使物理學家們十分激動。例如，約翰·霍普金斯大學的理論家Kamionkowski說，LIGO的研究結果首先表明，這樣的輻射可以幫人們看到難以觀測的天體，如這兩個命運多舛的黑洞。「這為人們觀測無數的恆星殘餘物打開的新的視角，我們知道它們在那裡，但我們只看到了一小部分。」

這次觀測也以前所未有的方式驗證了廣義相對論，Kamionkowski說。到現在為止，物理學家們只在引力較弱的情況下進行研究。通過研究引力波，他們現在可以實際地探索在一些極端條件的問題：如在某物體引力場中的能量佔了它大部分的質量——這是迄今為止，只在理論層面上探討的問題。

人們觀測到這次黑洞的合併，驗證了廣義相對論，麻省理工學院（MIT）的物理學家Rainer Weiss說。他曾提出了LIGO項目的原型。他說：「人們從愛因斯坦的理論中計算出的東西確實就是這樣。對我來說，這是一個奇蹟。」

探測到了引力波標誌著始於1972年、長達數十年的探索項目的頂點，當時Weiss寫了一篇文章，構建了LIGO的基本設計。1979年，美國國家科學基金會資助了在麻省理工和加州理工的研究和開發工作，LIGO的建設開始於1994年。2億7200萬美元的儀器開始在2001年記錄數據，雖然它是在升級後，才記錄到物理學家預期的信息。

如果LIGO項目將獲得諾貝爾獎，誰應該得到它？科學家說，Weiss是肯定能獲獎的，但他卻持反對態度。「我不這樣想，」他說，「LIGO項目不應該因為探測到引力波而獲獎。是Hulse和Taylor發現的引力波。」許多研究者認為其他值得的獲獎對象有加州理工學院的Ronald Drever，該項目的第一負責人，對LIGO做出了巨大的貢獻。還應該獲獎的是加州理工學院的理論物理學家Thorne，他倡導了LIGO項目。Thorne也不想獲獎：「真正應該獲獎的是努力實現的這個項目的實驗者們，如Rai和Ron。」

同時，其他檢測數據也可能迅速發布。LIGO研究人員仍然在分析升級後，探測器第一次觀測得到的數據，在1月12日結束。他們計劃在七月再次開始記錄數據。義大利的一個研究小組希望其改建的VIRGO探測器——有3千米長臂的干涉儀——在今年較晚的時候開始運行。物理學家們熱切期待著下一次引力波的到來。

從預言到現實：探索引力波

1915年，愛因斯坦發表了廣義相對論，將引力解釋為質量和能量在時空中的扭曲。

1916年，愛因斯坦預言，當大質量的物體在以特定方式旋轉時，就會導致「時空漣漪」——那就是引力波。

1936年，愛因斯坦重新思考了自己的理論，並在手稿中指出波並不存在——然而後來的手稿整理者發現其中有錯誤。

1962年，俄羅斯物理學家M. E.Gertsenshtein和V. I. Pustovoit發表了文章，描繪了用光學方法來檢測引力波——然而並沒有引起人們注意。

1969年，物理學家Joseph Weber宣稱可以巨大的鋁圓筒檢測到了引力波——該研究結果不具有重複性。

1972年，麻省理工的Rainer Weiss獨自提倡使用光學方法來檢測引力波。

1974年，天文學家發現一顆脈衝星和一看中子星似乎正在引力波影響下慢慢靠近——這項研究獲得了諾貝爾獎。

1979年，國家科學基金(NSF)資助了加州理工和麻省理工的LIGO項目的設計。

1990年，國家科學基金同意資助LIGO項目2億500萬美元。

1992年，LIGO項目在華盛頓州和路易斯安那州選址，並於兩年後開始建造。

1995年，德國GEO600引力波探測儀開始建造，於2002年和LIGO項目一同記錄數據。

1996年，義大利VIRGO引力波探測儀開始建造，於2007年開始記錄數據。

2002年至2010年，初台LIGO的探測儀開始工作，並沒有探測到引力波。

2007年，LIGO和VIRGO同意分享數據，形成了單一一條全球引力波探測網路。

2010年至2015年，2億500萬美元用於升級LIGO的探測儀。

2015年，升級後的探測儀在9月投入使用。

2016年，2月11日，NSF和LIGO研究團隊宣布成功探測到引力波。