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第9章 来自宇宙的声音引力波（第1页）

第9章来自宇宙的声音——引力波

LIGO探测到的黑洞真是最早一批恒星的遗迹，那就太神奇了!就好比走在伦敦的牛津街上，在熙熙攘攘的购物人群中突然发现了两个奇迹般幸存下来的罗马军团的士兵。要知道，自公元410年之后，罗马帝国的士兵们就已不复存在了。

如果你问我是否有引力波，我必须回答我不知道，但这是一个非常有趣的问题。

——阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）

女士们、先生们，我们已经探测到了引力波。我们做到了!

——大卫·雷泽（DavidReitze）

在一个非常非常遥远的星系中，两个巨大的黑洞被锁定在相互缠绕的死亡旋涡中。就在地球上最复杂的生物还只是古老的细菌时，两个黑洞完成了最后一次绕转，发生碰撞，合并在了一起。那一瞬间，太阳质量3倍的黑洞骤然消失了。片刻之后，那些消失的质量化作时空振**的海啸，以光速向外奔涌而出。

在这短暂的一瞬间，引力波的能量相当于宇宙中所有恒星辐射能量总和的50余倍。换句话说，如果黑洞合并不产生剧烈的时空振**，而产生可见光，那么其亮度将是整个宇宙亮度的50余倍。

这次的引力波就像池塘水面上的同心涟漪那样向外扩散，沿途冲刷着100万个星系，轻摇着100亿亿颗恒星，撩拨着无数的行星、卫星、小行星和彗星。

此时的地球上，巨大的板块正在迅速而猛烈地漂移、旋转、相互碰撞，形成高耸的山脉，山脉又不断遭受风雨和冰川的侵蚀逐渐变得平坦。生命在单细胞阶段停滞了30亿年后，不可思议地在这一时期一跃成为多细胞生物。从此，植物和动物开始大量繁衍，遍布地球表面。虽然它们多次因来自星际的大块陨石撞击而灭绝，但它们总会重新萌生。恐龙来了，又走了。冰川从两极向赤道扩展开来，然后又退缩回去，反反复复，就像1英里（约1。6千米）深的白色潮汐，涨涨落落。一族直立的古猿出现了，把足印留在了坦桑尼亚莱托里的火山灰中。而这批古猿的后代仅在地质年代的一瞬之后，就把足迹留在了月球静海（SeaofTranquility）登陆点的尘埃上。

此时，这股滚滚向前的时空涟漪早已跨越辽阔的宇宙，横扫银河系的外缘，涌入了银河系内部的猎户座旋臂。这股涟漪轻抚了太阳系边缘冰冷的彗星云，匆匆掠过气态巨行星及其超级卫星，朝着紧挨着太阳火堆的岩石行星推进。这股涟漪相继拂过火星、月球和地球大气层，最后，在历经13亿年漫长的太空传播之后，涌入了某种一直在默默等待的东西。

2015年9月14日，德国汉诺威

将近中午时分，听见“啵”的一声，坐在电脑前的马可·德拉戈（Marco）知道，有电子邮件到了，但他正忙着写一篇科学论文，没有立即查看邮件内容。每天的这个时候，他都会收到类似的电子邮件，大多是例行公事，没有什么特别的意义。

2015年9月14日，星期一，本来这一天对于德拉戈来说与平日没有什么不同。诺德施塔特是一块靠近汉诺威的安静区域，在这个阳光明媚的秋日早晨，他离开位于诺德施塔特的公寓，步行10分钟，来到了马克斯·普朗克引力物理研究所（theMaxPlanstitutefravitationalPhysics）。该机构拥有约200名员工，大楼由两座现代的长方形建筑组成，中间隔着一条马路，由一条玻璃通道连接。通常在早上9点，德拉戈就到了一楼的办公室，脱下外套后，坐在笔记本电脑前查看前一天晚上收到的邮件。LIGo合作项目涉及不同国家和地区的大约1000人，不同地域的人之间有着时间差，这意味着电子邮件沟通是不间断的。

前一年，德拉戈从维罗纳附近的特伦托大学（theUyofTrento）来到德国。他在阿尔伯特·爱因斯坦研究所（AlbertEiute）〔马克斯·普朗克引力物理研究所（MaxPlanstitutefravitationalPhysics）的非正式称呼〕做博士后时，在监控一种计算程序，它是用来分析美国的两个LIGO引力波探测器以及欧洲的Virgo（处女座）引力波探测器的输出信号，以从中筛选出可能是引力波的触发信号。

德拉戈保存了正在写的论文，翻到电子邮件收件箱，打开了未读邮件。在比萨（Pisa）附近的Virgo探测器还没有投入运行，所以只有两个附件，一个来自路易斯安那州的利文斯顿，另一个来自华盛顿州的汉福德。

在利文斯顿的是一把长达4000米的激光“尺”，而3000千米外的汉福德也有一把同样的激光“尺”。当德拉戈点击打开两个附件，并让二者一上一下分屏显示时，他注意到在东部标准时间早上5点51分，利文斯顿的尺发生了颤动，7毫秒——还不到1秒的1%——之后，汉福德的尺也发生了完全相同的颤动。颤动显示为从左到右的蛇形线条，线条上下对称的偏移完美地反映了超级尺的伸缩。在大约110秒的时间里，摆动变得越来越快，越来越强烈，在达到最大值后，快速消失。

毫无疑问，这就是一掠而过的引力波的标志信号。这列引力波来自一对合并中的黑洞。但是这个事实对于德拉戈来说太荒谬了，他一丝一毫都不相信自己看到的就是引力波信号。

尽管LIGO——也就是激光干涉引力波天文台（LaserIricGravitatioory）——已经运行1个月了，但其仍在进行工程升级，以提高其灵敏度，并且要到4天后的9月18日才开始按计划进行科学探测工作。LIGO项目始于20世纪80年代，但直到现在，它的高新版本才接近探测所需的敏感度。德拉戈在想，开机时间才这么短，探测到引力波的可能性有多大呢？可能性几乎为零。

这并不是引起德拉戈警觉的唯一事情。引力波极其微弱[164]，原因很简单，万有引力极其微弱，与把人体原子黏合在一起的电磁力相比，只有后者的11040。[165]麻省理工学院的物理学家赖纳·韦斯（RainerWeiss）说：“爬楼梯的时候，你会觉得地球的引力真的很强大，但从物理学的角度而言，在自然界的四种基本力中，引力的效应可谓是微乎其微、不值一提的。”

这等于说，时空是非常坚硬的——比钢铁还硬1027倍。振动鼓面很容易，但要振动时空的鼓面却非常困难。尽管在空中挥挥手也会在时空结构中产生涟漪，但只有难以想象的最剧烈的物质运动，比如黑洞的合并，才能产生足以被21世纪的技术探测到的引力波。

然而，黑洞合并很可能是非常罕见的，这意味着产生引力波的事件很可能都发生在宇宙中离我们非常遥远的地方。引力波在宇宙不可思议的巨大体积里扩散，它将被稀释成无限微弱的涟漪。因此，所有人都预期，LIGo接收到的第一个信号应该是混杂在背景噪声里的、只能勉强辨别的微弱信号。但是，德拉戈在电脑屏幕上看到的信号一点也不微弱。信号强大且清晰地显示在屏幕之上。所以他确信，肯定是弄错了，这一定是个假警报。

为了印证自己的想法，德拉戈沿着走廊来到了一位瑞典博士后同事安德鲁·伦德格林（AndrewLundgren）的办公室。伦德格林在电脑上打开电子邮件，点击链接。当来自汉福德和利文斯顿的两个相同的波形出现在屏幕上时，伦德格林和德拉戈一样不相信这是引力波的信号。两个人的意见一致：这是假信号。

有两种假信号的可能：第一种假信号，是为了测试仪器的反应，有时候，LIGo的工程师会向系统中注入一个伪信号。但一定会注明预注（schedulediion），然而德拉戈和伦德格林并没有看到预注的标志。第二种假信号，是为了确保物理学家能够区分真实的引力波和虚假的人为信号，一个由物理学家组成的小团队负责进行的盲注（bliion）。这个团队的成员宣誓，只有在盲注的信号被探测到，或者发现这些信号的论文即将在期刊上发表时，才会公开盲注的秘密。2010年9月16日就有这样一篇论文，在即将投送到《物理评论快报》时，被告知测得的是盲注信号。

经过1个小时的讨论，德拉戈和伦德格林得出结论，对这些信号来说，最有可能的解释就是盲注。他们唯一能做的就是打电话给汉福德和利文斯顿了解一下情况。汉福德的时间是凌晨3点半，而利文斯顿的时间是早上5点半。虽然德拉戈只得到了利文斯顿控制室的回复，但这已经足够了。值班的技师威廉·帕克（arker）证实仪器没有问题，并确认没有预注。

德拉戈和伦德格林决定给整个LIGo合作团队发邮件，想了解一下其他人对这个信号的看法。德拉戈在邮件里打出了这样一句话：“嘿，大家好。最近1小时探测到了1个明确的信号。有人能确认这不是人为注入的吗？”

在美国，人们起床了，并开始讨论这个信号。因而需要德拉戈处理的电子邮件太多了，他根本没时间做其他事情。那天剩下的时间就这样稀里糊涂地过去了。德拉戈忙到顾不上兴奋，他仍然相信那个信号是假的。

2天后，一切都变了。从那个让科学家们时刻保持警觉的物理学家小团队传来了惊心动魄的消息：没有盲注。

阿尔伯特·爱因斯坦研究所里有很多爱因斯坦的画像，这毫不奇怪。那天傍晚，德拉戈离开大楼回家时，注意到走廊墙上就有一幅1米高的爱因斯坦画像。这位在近一个世纪前曾预测过引力波存在的伟人，似乎正在调皮地对他微笑着说：“我说有，果然有吧？”

1936年7月，新泽西州普林斯顿大学

整整10分钟，爱因斯坦的新任助理、波兰人利奥波德·英菲尔德（LeopoldInfeld）一直在赞扬霍华德·珀西·罗伯特森（HoercyRobertson）。英菲尔德坐在办公桌的另一边，与爱因斯坦之间隔着一堆摇摇欲坠的文件。最近英菲尔德似乎与刚从加州理工学院学术休假回来的罗伯特森建立了相当好的友谊。事实上，那天爱因斯坦从办公室的窗户里看到了他们在草坪上，在7月明媚的阳光下，二人兴致勃勃地聊着天，罗伯特森时不时地吸上一口烟斗。当罗伯特森沿着高级研究所宽阔的车道离开时，手里提着公文包晃来晃去。

爱因斯坦对罗伯特森这个人还是颇有些了解的。就在1935年，普林斯顿大学的这位年轻教授在对整个宇宙物质的均匀性做出了一些貌似合理的假设后，用爱因斯坦的引力论设法求得了一个宇宙解，从而完美地诠释了爱德温·哈勃1929年发现的宇宙的膨胀。这给爱因斯坦留下了深刻的印象。

英菲尔德从那堆文件的左侧或右侧探出身体，徒劳地想要与桌子另一边的老板有目光接触。英菲尔德说，他跟罗伯特森谈及了爱因斯坦和他的前助手内森·罗森（NathanRosen）曾写过的一篇关于引力波的论文，罗伯特森发现了其中的缺陷。说出这个情况的时候，英菲尔德很紧张，不知道爱因斯坦会做何反应。但他的担心是多余的。“嗯，”爱因斯坦说，“最近，我也意识到了这个错误。”