发现引力波:整个宇宙都在颤动
2016/2/12 三联生活周刊

     这是人类观测到的除了宇宙大爆炸之外最为剧烈的爆炸。

    

     “女士们先生们,我们发现了引力波。我们做到了!”2016年2月11日,激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)项目主管大卫.莱兹(David Reitze)在华盛顿举行的新闻发布会上终于自豪的说出了这句话,这或许标志着物理学一个新的时代的到来。

     从2015年9月起,一个未经证实的消息开始在物理学界流传开来。据说经过了几年升级改建的先进激光干涉引力波天文台(advanced LIGO)在重新开始工作之后的一个星期内就探测到了引力波的信号。此前这个传言一直没有得到官方的证实或否认——这个态度被很多人认为算是一种默认。如今,传言终于得到了证实,升级之后aLIGO的两个探测器探测到了距离地球13亿光年之外的两个黑洞在合并过程中放射出的引力波,这是在爱因斯坦发表了广义相对论一百年之后,人类第一次发现引力波存在的直接证据,这个发现将以一系列论文的形式发表在《物理评论快报》(PRL)杂志和《天文期刊》(The Astrophysical Journal)杂志上。

     几千年来人类观察宇宙的方式大多都只是仰望星空,直到几百年前人们才能通过望远镜进行观察,影像固然更加清晰,但所看到的仍然只限于可见光的频率范围之内。直到二十世纪,人类理解了电磁学,才能从红外线到伽马射线,在更广阔的频率范围内观测宇宙。想要看清宇宙的面貌,仅仅通过电磁波还远远不够,中微子为宇宙学家们打开了又一扇门,通过藏在地下的一个个中微子天文台,人类才多了一个观测宇宙的手段,但是这种方式的局限性仍然非常明显。因此,如果能够在地球上观测到引力波,人类将会增加一个非常独特而灵敏的宇宙学观测方式。

    

     引力是自然界中最为微弱的相互作用,广义相对论所描述的正是引力作用。根据广义相对论的预测,当质量进行加速运动时,会对于时空产生干扰,进而使时空产生出以光速行进的引力波。因为引力作用太过微弱,想要探测到这种时空的褶皱,就需要格外敏感的实验装置。

     在美国华盛顿州和路易斯安那州建造的隶属于美国国家自然基金(National Science Foundation)的两个相似的激光干涉引力波天文台,每一个天文台都有两个长达4公里的相互垂直的长臂,激光在真空的管道中沿着两条长臂来回反射,并且发生干涉。现在有超过900名科学家在这里工作,人们有一个共同的目标,就是通过激光的干涉现象寻找引力波。根据理论预测,一旦有引力波经过,将会使空间发生拉伸和压缩,两个长臂中的激光的干涉现象就将发生变化。但是从2002年至2010年九年的时间里,这两个高精度引力波探测器没有任何收获。这些年的一无所获与周围环境对仪器的干扰有关,因为仪器的过分敏感,华盛顿州的探测器经常会受到大风的干扰,而路易斯安那州的探测器则经常会受到经过的火车和周围倒下的树木所产生的震动带来的干扰。

     在经过了5年时间,花费了2亿英镑之后,激光干涉引力波天文台完成了升级。在2015年9月18日重新开始工作的先进激光干涉引力波天文台比之前的精度可以高出三倍,激光器的功率增提高了十倍,抗干扰的能力也大幅增强,无论是树木,火车,还是地震波都无法影响到仪器的探测。进行了全面的升级之后,先进激光干涉引力波天文台的灵敏度会随着调试逐渐上升,将在未来三年左右的时间里达到顶峰,也就是说探测到引力波的可能性会逐渐增加。

    

     激光干涉引力波天文台

     升级后重新开始工作的aLIGO取得收获的速度比此前人们最乐观的估计还要快。2015年9月14日早上,德国马克思普朗克研究所的物理学家们就发现了在aLIGO两个探测器上几乎同时探测到了一个类似于鸟鸣的频率逐渐升高的信号,信号从35赫兹的频率迅速升高到250赫兹,然后变得混乱,整个过程持续了四分之一秒的时间,两个探测器的探测时间相差7微秒。这个信号因为太过清晰,以至于首先发现它的科学家甚至不敢相信这是一个真正的探测信号,宁愿相信这是一个人为的用于测验仪器的信号。而另外两个位于意大利和德国的引力波探测器在当时并没有运行,所以无法对这个信号进行确认。

     最终证实这个信号来自于两个黑洞合并过程中发射出的引力波。根据计算,这两个此前相互旋转的黑洞分别具有相当于29个太阳和36个太阳的质量,它们在长久的相互环绕之后,最终无可避免的合并成为一个相当于62个太阳质量的黑洞。两个以光速的一半的速度环绕运行的黑洞最终合并,必将释放出巨大的能量,因此LIGO的创始人之一,理论物理学家基普.索恩(Kip Thorne)才评论道,“这是人类观测到的除了宇宙大爆炸之外最为剧烈的爆炸。”

    

     从左到右分别为科学家Gabriela Gonzalez, Rainer Weiss和Kip Thorne

     aLIGO所探测到是两个黑洞合并过程刚开始时所释放的引力波,科学家们计算,在合并过程的一开始就有相当于三个太阳质量的能量被以引力波的形式释放出来,经过了13亿年之后终于传播到地球。这个直接观测证据是对于广义相对论的最终证实(虽然实际上广义相对论的作者爱因斯坦并不相信黑洞的存在),这也是科学家们第一次真正观测到黑洞的合并过程。

     虽然人类之前就从一个旋转周期逐渐缩小的脉冲双星系统发现了引力波存在的间接证据——那个双星系统的行为与广义相对论的预测完全一致,但直接发现引力波的意义与之完全不同。人类将会有一个更为灵敏的宇宙学探测手段,天文学也可能会出现一个新的分支——引力波天文学。在理论上,通过引力波进行天文学探测,人类将可以了解恒星坍塌的具体过程,恒星内部质量的移动和改变过程都会通过引力波传播到地球。物理学家们想象着在未来,引力波探测成为家常便饭,每年都可以探测到十次左右的中子星碰撞。欧洲航空局(European Space Agency )计划在2034年开始一个太空引力波探测项目,在未来的几十年里,或许人类将会迎来在各个频率范围内引力波探测的爆发。

    

     对于引力波存在的间接证明已经为两位物理学家赢得了1993年的诺贝尔物理奖,而这次对于引力波的直接观测,是否会赢得一个新的诺贝尔物理奖?在LIGO工作的一些科学家已经开始谈论谁应该去领奖了(每一届诺贝尔物理奖最多可以授予三位科学家),但无论是谁最终获奖,最值得被铭记的都是LIGO探测器和人类寻找引力波的故事。

     经过多年的失败之后,对于引力波的直接观测必将开启宇宙学研究的新局面——人类将理解在我们的周围环绕着多少黑洞和中子星,更详细了解超新星的爆发过程。引力波探测也将详细的解释宇宙中各种强度,或长或短的伽玛射线爆发。另外,因为引力波无法被物质吸收或反射,理论上一种极其特殊的来自于宇宙创生时代的引力波可能告诉人类在宇宙诞生之初的秘密。尽管大多数宇宙学家们都已经接受了宇宙暴涨的假说,但人们仍然需要找到原初引力波存在的切实证据,完成宇宙创生故事的最后一环。

     (本文写作参考了《科学》杂志,《自然》杂志和加州理工学院网站的报道。)

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