LIGO:那群发现引力波的人和他们的一场宇宙大冒险

LIGO:那群发现引力波的人和他们的一场宇宙大冒险

与爱因斯坦一样,这一百年来科学家们一直都相信黑洞的存在,可遗憾的是,他们从未得到可被观测的直接证据。

事实上,距离银河系数百万个星系的 14 亿光年外,两个黑洞确实发生了碰撞。它们围绕彼此旋转了亿万年,每一圈后都在加速着靠近对方。当它们的旋转速度接近光速、彼此之间的距离也只剩下几百英里之时,时间和空间开始扭曲,两个黑洞在不到一秒钟的时间里瞬间合二为一,并辐射出比全宇宙的恒星总和出还多几百倍的能量。很快,一个新的黑洞形成了,新黑洞中蕴藏的巨大能量也随之逐渐平静下来,时空再次陷入寂静。

但是,一丝微弱的能量还是在这场声势浩大的能量爆发中溜了出来。而正是这一丝能量溢出,给了人类证实黑洞存在的机会。

2016 年 2 月 11 日,一个被称为「LIGO 科学合作组织」(LIGO Scientific Collaboration)的团队宣布他们探测到了这发生在 14 亿光年以外的两个黑洞碰撞完成后「逃逸」出来的能量,而这一丝能量以一段声波的形式被记录下来。这段短促到稍纵即逝的声波验证了爱因斯坦广义相对论里的最后一项预言——引力波的存在,而引力波的发现,则第一次确凿的验证了黑洞的存在。

1915 年,爱因斯坦便预言了引力波的存在。他将其描述为一种时空涟漪,代表着一种全新的宇宙观:时空是相互交织的、动态的,可以伸展、收缩、震动。这是爱因斯坦的理论中被认为最疯狂第一部分,改写了牛顿时期以来盛行 200 余年的时空规则。一旦被证实,人类将进入一个「用全新的手段重新认识宇宙」的时代。

在苦苦等待了一百年之后,一群来自「LIGO 科学合作组织」的科学家们终于令这个疯狂的理论得以验证,并昭告天下。

「LIGO 科学合作组织」是一个全球性的组织,拥有来自 15 个国家的 950 位科学家成员,宛若一个昼夜不停的巨大实验室。而当初发起这个组织的,是三位来自不同地方的物理学家:加州理工学院的基普·索恩(Kip Thorne)、麻省理工学院的雷纳·维斯(Rainer Weiss)和原在加州理工任职、现退休居住在苏格兰的罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)。他们梦想着要验证爱因斯坦那不可思议的预言,并将自己的职业生涯押注其中。

20160702112821Zup81wW3L95Idtlm.jpg-w600.jpg(LIGO团队的重要参与者,图片版权:Lexey Swall/纽约时报)

索恩和维斯最初相识是在 1975 年的一次会议上,索恩那时已经是一位著名的黑洞理论家,但他正在寻找新的领域去征服。他们一拍即合,一夜未眠的讨论如何检验广义相对论、如何才能找到引力波。

后来,索恩将来自格拉斯哥大学的天才实验物理学家德雷弗招致麾下,启动了加州理工学院的引力波项目。维斯也在麻省理工学院发起了一个类似的项目。

但这个项目的难度极大。根据研究人员的计算,来自外太空的一个典型的引力波对一对反射镜之间空间距离的改变只有十亿兆分之一,几乎察觉不到。维斯回忆说:「当我向国家科学基金会的潜在资助者解释这项实验时,他们都认为我疯了。」

几经周折,第一代实验设备——「初代 LIGO」于 2000 年投入使用,并运行了 10 年时间。随后的 5 年里,LIGO 系统又再次进行了重建,设备的灵敏度大大增加。很难想象,40 年前,LIGO 设备仅仅是维斯在学校所设计的一次课堂作业,如今的它,要用来重新认识宇宙了。

LIGO 系统共有两个引力波探测器,一个位于华盛顿州的 Hanford,另一个位于路易斯安那州的 Livingston,两者相聚 1900 英里。LIGO 的接收天线是 L 型的,垂直交叉的干涉臂长 2.5 英里,每条干涉臂外部都包裹着钢铁和混凝土,内部则是几英尺宽的真空室,里面有着体积 250 万加仑的真空区。当引力波产生,它会在 LIGO 真空管中发出一种上升音调。

引力波的探测是一个漫长的、耗资数十亿美元的项目,维斯和索普也一度陷入深深的焦虑。就连资助他们的美国国家科学基金委也承受着巨大的压力。

因著书而与这二人产生密切交流的天体物理学家扬娜·莱文曾告诉记者:「他们很焦虑,不知道 LIGO 到底会不会成功,投入了这么多时间却仍然无法知道是否很快会有发现,还是要再等上个 10 年。维斯在 8 月份(2015 年)的时候还对我说:如果我们听不到来自黑洞的信号,这个项目也就失败了。」

但他们终究还是做到了。

2015 年 9 月 14 日,两个分别位于 Hanford 和 Livingston 的 LIGO 系统在引力波的作用下发生震动,形成声波。

当时的 LIGO 实验室负责人,加州理工大学教授戴维·雷茨(David Reitze)回忆道:「凌晨四点,LIGO 系统刚刚完成校准,正在进行所谓的工程性运转。这时,利文斯顿观测站出现了一个响亮的信号。7 毫秒后,这一信号出现在了汉福德观测站。我们认为,这类信号同时因为巧合出现的可能性几乎为零。」

当时,美国正是深夜,计算机默默记录下了这一切的发生。反而是一位 32 岁的博士后马克·德拉格(Marco Drago)成为第一个观测到它们的人。马克当时正坐在位于德国汉诺威的爱因斯坦研究所里,远程观看 LIGO 的数据。引力波首先出现在他的屏幕上,就像一个被压缩了的曲线。所幸,LIGO 装置着全宇宙最精致的「耳朵」,可以听到千亿分之一英尺的振动所形成的声波。于是,他听到了被天文学家称为「蛐蛐叫」的声音——一个微弱的、由低到高的呼叫。

约半年后的 2016 年 2 月,在华盛顿的新闻发布会上,LIGO 团队正式宣布那个信号即为历史上第一个直接观测到的引力波。在华盛顿全国新闻中心里,响起了长久的欢呼。

很快,在 2016 年 6 月 15 日,LIGO 再次宣布探测到引力波,而这次引力波信号是在当地时间 2015 年 12 月 26 日凌晨被捕获的,同样来自于两个黑洞的合体。

长期以来承受着巨大压力的 LIGO 成员感到了巨大的解脱。维斯说:「40 年了,好像有一只一直坐在我肩膀上的猴子,在我的耳边唠叨嘲弄我:你怎么知道这一定能成功?你让这么多人参与进来,如果这一切永远不会成功怎么办?突然间,猴子跳下来走掉了。这实在是巨大的解脱。」

除了解脱,「引力波天文学」正令越来越多的科学家们感到兴奋。他们经过了一个世纪的实验、遭受不断的质疑,终于进入到了物理现实的最深处。在最深处等待他们的,或许是另一个未知的、令人兴奋的、充满可能的新世界。

如今,发现引力波的人来了,你来吗?2017 年 1 月,LIGO 的 Hanford 观测台负责人 Michael Landry 会来到极客公园的 GIF 大会现场,与极客公园创始人张鹏一起聊一聊「科技的新边疆」。如果你也对这个话题感兴趣,不要错过明年 1 月 13 日-15 日的极客公园 GIF 大会。

(头图来自:Pexels,编辑:王伟)

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