很久以前，在宇宙深處，由兩顆恒星形成的兩個(gè)巨大黑洞——它們具有超強(qiáng)的引力場(chǎng)——碰撞坍塌至無(wú)限小的點(diǎn)，慢慢地合在一起。剩下的物質(zhì)繞著彼此旋轉(zhuǎn)，距離也越來(lái)越近，直到大約13億年前，它們以光速一半的速度在旋轉(zhuǎn)著，最后合并到了一起。這次碰撞撼動(dòng)了宇宙：產(chǎn)生了空間和時(shí)間上的“波紋”——引力波。五個(gè)月前，它們經(jīng)過(guò)地球。而且，物理學(xué)家也是第一次觀測(cè)到它們，完成了一項(xiàng)持續(xù)了四十年的對(duì)于宇宙的研究。
他們發(fā)現(xiàn)了引力波
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）1000位物理學(xué)家的勝利。LIGO是位于華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺(tái)巨大的儀器。關(guān)于檢測(cè)到引力波的流言已經(jīng)流傳了好幾個(gè)月。今天，在華盛頓特區(qū)的一個(gè)新聞發(fā)布會(huì)上，LIGO小組將它公之于眾。“我們終于做到了！”加州理工大學(xué)的物理學(xué)家和LIGO執(zhí)行董事David Reitze說(shuō)?！瓣P(guān)于它的流言大多猜測(cè)到了這項(xiàng)研究結(jié)果?！?/p>
愛因斯坦在100年前就預(yù)測(cè)引力波的存在，但是，要直接觀測(cè)到它需要超凡的技術(shù)實(shí)力和長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)。（見下方的引力波探索歷史時(shí)間表）。LIGO的研究人員發(fā)現(xiàn)，在來(lái)自宇宙的1021束波中，有一束使整個(gè)地球膨大了1 / 100000納米——大約是原子核的寬度。這項(xiàng)觀測(cè)以前所未有的精確度檢驗(yàn)了愛因斯坦的引力理論和廣義相對(duì)論，并提供了黑洞存在的證明?！斑@項(xiàng)研究會(huì)贏得諾貝爾獎(jiǎng)?！卑蜖柕哪s翰·霍普金斯大學(xué)的理論物理學(xué)家Marc Kamionkowski說(shuō)。
LIGO研究人員用“超精密尺子”來(lái)觀測(cè)極小的空間擴(kuò)展：它是兩個(gè)L形的、4公里長(zhǎng)的干涉儀。在每條臂末端的鏡子形成很長(zhǎng)的共振腔，激光光束以精確波長(zhǎng)來(lái)回反射，就像管風(fēng)琴一樣產(chǎn)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(huì)互相干擾。這將導(dǎo)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(guò)程中，研究人員就可以比較兩臂的長(zhǎng)度，精確到質(zhì)子寬度的1 / 10000——足以檢測(cè)到引力波，因?yàn)樗鼤?huì)使兩臂長(zhǎng)度不一樣。然而，為了能觀測(cè)到如此微小的位移，科學(xué)家必須去除其它的振動(dòng)帶來(lái)的影響，如地震波、交通工具和遠(yuǎn)處海浪的聲音。
2015年9月14日，通用時(shí)間9:50:45時(shí)，即路易斯安娜當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨4:50，華盛頓當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨2:50，LIGO的自動(dòng)化系統(tǒng)檢測(cè)到了這樣的信號(hào)。振蕩以每秒35個(gè)周期（赫茲）的頻率出現(xiàn)，并加速至250赫茲，0.25秒后消失了。像這樣的頻率增加，即啁啾聲，符合兩個(gè)巨大天體互相旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的波的特征。在路易斯安娜和華盛頓之間檢測(cè)到0.007秒的信號(hào)延遲也是符合科學(xué)道理的：以光速傳播的波花了0.007秒從一臺(tái)檢測(cè)儀傳到另一臺(tái)檢測(cè)儀。
LIGO研究人員在本應(yīng)該發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的文章中說(shuō)，這次觀測(cè)結(jié)果的發(fā)布打破了物理學(xué)家常用于檢測(cè)結(jié)論是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義“five-sigma”標(biāo)準(zhǔn)。這次觀測(cè)的證據(jù)是如此的有力，從原始數(shù)據(jù)中就可以看出了。路易斯安那州立大學(xué)的物理學(xué)家、LIGO的發(fā)言人Gabriela González說(shuō)，“只要過(guò)濾數(shù)據(jù)，這是顯而易見的?！?/p>
與計(jì)算機(jī)模擬的比較表明，波來(lái)自兩個(gè)分別比太陽(yáng)大29和36倍的天體，在合并之前，它們?cè)诒舜讼嗑?10公里處互相旋轉(zhuǎn)。只有黑洞——具有巨大的引力能量，其質(zhì)量可以通過(guò)愛因斯坦的著名公式E = mc2計(jì)算——才可以在那么小的空間里壓縮進(jìn)這么大的質(zhì)量，德國(guó)漢諾威引力物理研究所的LIGO成員Bruce Allen說(shuō)。這次觀測(cè)提供了另一種全新的黑洞存在的證據(jù)——而不是通過(guò)觀測(cè)距離它們遙遠(yuǎn)的熱氣體或恒星旋轉(zhuǎn)。Allen說(shuō)：“以前，人們可以在理論上論證黑洞是否存在，而現(xiàn)在就用不著了。”
這兩個(gè)天體的碰撞產(chǎn)生了驚人而不可見的爆炸。模型表明，最終黑洞質(zhì)量總計(jì)是太陽(yáng)的62倍，比初始黑洞的質(zhì)量少了3個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。失去的質(zhì)量變成了引力輻射——質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，正是這種轉(zhuǎn)變使原子彈的爆炸看起來(lái)像是打出了一個(gè)火花。Allen說(shuō)：“在碰撞的十分之一秒中，它們的亮度比銀河系中所有的恒星都要亮，即產(chǎn)生的引力波更多?！?/p>
其他的恒星爆炸——被稱為γ射線爆發(fā)，在一小段時(shí)間內(nèi)也會(huì)比正常恒星要亮，但這次在黑洞中的爆炸則使其他的恒星爆炸黯然失色——在加州理工學(xué)院引導(dǎo)了LIGO發(fā)展的引力理論家Kip Thorne說(shuō)：“它是迄今為止，除了宇宙大爆炸之外，人類觀測(cè)到的最強(qiáng)爆炸了?！?/p>
5個(gè)月來(lái)，LIGO的物理學(xué)家都在努力抑制這個(gè)消息的流通。通常情況下，大多數(shù)的團(tuán)隊(duì)成員都不知道這個(gè)消息是否真實(shí)。LIGO會(huì)定期將數(shù)據(jù)和稱為“盲注”的秘密假數(shù)據(jù)混合，用來(lái)測(cè)試設(shè)備并保持研究人員關(guān)注他們的工作。但在2015年9月14日，盲注系統(tǒng)并沒(méi)有啟動(dòng)。物理學(xué)家們最近才給這臺(tái)機(jī)器完成了一項(xiàng)為期5年、花費(fèi)了2億500萬(wàn)美元的升級(jí)。在研究人員們激動(dòng)地開啟新機(jī)器，進(jìn)行“工程運(yùn)行”時(shí)，它其中的一些系統(tǒng)，包括盲注系統(tǒng)，并沒(méi)有啟動(dòng)。因此，整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都知道，這項(xiàng)觀測(cè)結(jié)果可能是真的?！澳翘煳覍?duì)此深信不疑?！盙onzález說(shuō)。
不過(guò)，LIGO物理學(xué)家不得不排除每一個(gè)可能錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，如它是一種惡意的惡作劇?！拔覀兓思s一個(gè)月來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)是否真實(shí)?！盧eitze表示。對(duì)于González來(lái)說(shuō)，檢查數(shù)據(jù)“是重大的責(zé)任”，她說(shuō)：“這是人類第一次探測(cè)引力波，所以不能有任何錯(cuò)誤?！?/p>
證明了引力波的存在可能不是LIGO最重要的事件，因?yàn)橐灿衅渌恍┮俗⒁獾拈g接證據(jù)。1974，美國(guó)天文學(xué)家Russell Hulse和Joseph Taylor發(fā)現(xiàn)了兩顆發(fā)射無(wú)線電的中子星（被稱為脈沖星）在繞彼此旋轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)脈沖星計(jì)時(shí)，Taylor和同事Joel Weisberg發(fā)現(xiàn)這兩顆星正在慢慢地不斷彼此靠近——若它們?cè)谙蛲廨椛湟Σǖ脑?，它們就?yīng)該互相靠近。
引力波帶來(lái)的科學(xué)前景使物理學(xué)家們十分激動(dòng)。例如，約翰·霍普金斯大學(xué)的理論家Kamionkowski說(shuō)，LIGO的研究結(jié)果首先表明，這樣的輻射可以幫人們看到難以觀測(cè)的天體，如這兩個(gè)命運(yùn)多舛的黑洞?！斑@為人們觀測(cè)無(wú)數(shù)的恒星殘余物打開的新的視角，我們知道它們?cè)谀抢?，但我們只看到了一小部分?！?/p>
這次觀測(cè)也以前所未有的方式驗(yàn)證了廣義相對(duì)論，Kamionkowski說(shuō)。到現(xiàn)在為止，物理學(xué)家們只在引力較弱的情況下進(jìn)行研究。通過(guò)研究引力波，他們現(xiàn)在可以實(shí)際地探索在一些極端條件的問(wèn)題：如在某物體引力場(chǎng)中的能量占了它大部分的質(zhì)量——這是迄今為止，只在理論層面上探討的問(wèn)題。
人們觀測(cè)到這次黑洞的合并，驗(yàn)證了廣義相對(duì)論，麻省理工學(xué)院（MIT）的物理學(xué)家Rainer Weiss說(shuō)。他曾提出了LIGO項(xiàng)目的原型。他說(shuō)：“人們從愛因斯坦的理論中計(jì)算出的東西確實(shí)就是這樣。對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)奇跡?！?/p>
探測(cè)到了引力波標(biāo)志著始于1972年、長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的探索項(xiàng)目的頂點(diǎn)，當(dāng)時(shí)Weiss寫了一篇文章，構(gòu)建了LIGO的基本設(shè)計(jì)。1979年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助了在麻省理工和加州理工的研究和開發(fā)工作，LIGO的建設(shè)開始于1994年。2億7200萬(wàn)美元的儀器開始在2001年記錄數(shù)據(jù)，雖然它是在升級(jí)后，才記錄到物理學(xué)家預(yù)期的信息。
如果LIGO項(xiàng)目將獲得諾貝爾獎(jiǎng)，誰(shuí)應(yīng)該得到它？科學(xué)家說(shuō)，Weiss是肯定能獲獎(jiǎng)的，但他卻持反對(duì)態(tài)度?！拔也贿@樣想，”他說(shuō)，“LIGO項(xiàng)目不應(yīng)該因?yàn)樘綔y(cè)到引力波而獲獎(jiǎng)。是Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)的引力波?！痹S多研究者認(rèn)為其他值得的獲獎(jiǎng)對(duì)象有加州理工學(xué)院的Ronald Drever，該項(xiàng)目的第一負(fù)責(zé)人，對(duì)LIGO做出了巨大的貢獻(xiàn)。還應(yīng)該獲獎(jiǎng)的是加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家Thorne，他倡導(dǎo)了LIGO項(xiàng)目。Thorne也不想獲獎(jiǎng)：“真正應(yīng)該獲獎(jiǎng)的是努力實(shí)現(xiàn)的這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)者們，如Rai和Ron。”
同時(shí)，其他檢測(cè)數(shù)據(jù)也可能迅速發(fā)布。LIGO研究人員仍然在分析升級(jí)后，探測(cè)器第一次觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)，在1月12日結(jié)束。他們計(jì)劃在七月再次開始記錄數(shù)據(jù)。意大利的一個(gè)研究小組希望其改建的VIRGO探測(cè)器——有3千米長(zhǎng)臂的干涉儀——在今年較晚的時(shí)候開始運(yùn)行。物理學(xué)家們熱切期待著下一次引力波的到來(lái)。
從預(yù)言到現(xiàn)實(shí)：探索引力波
1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，將引力解釋為質(zhì)量和能量在時(shí)空中的扭曲。
1916年，愛因斯坦預(yù)言，當(dāng)大質(zhì)量的物體在以特定方式旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致“時(shí)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，并在手稿中指出波并不存在——然而后來(lái)的手稿整理者發(fā)現(xiàn)其中有錯(cuò)誤。
1962年，俄羅斯物理學(xué)家M. E.Gertsenshtein和V. I. Pustovoit發(fā)表了文章，描繪了用光學(xué)方法來(lái)檢測(cè)引力波——然而并沒(méi)有引起人們注意。
1969年，物理學(xué)家Joseph Weber宣稱可以巨大的鋁圓筒檢測(cè)到了引力波——該研究結(jié)果不具有重復(fù)性。
1972年，麻省理工的Rainer Weiss獨(dú)自提倡使用光學(xué)方法來(lái)檢測(cè)引力波。
1974年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)一顆脈沖星和一看中子星似乎正在引力波影響下慢慢靠近——這項(xiàng)研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
1979年，國(guó)家科學(xué)基金(NSF)資助了加州理工和麻省理工的LIGO項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。
1990年，國(guó)家科學(xué)基金同意資助LIGO項(xiàng)目2億500萬(wàn)美元。
1992年，LIGO項(xiàng)目在華盛頓州和路易斯安那州選址，并于兩年后開始建造。
1995年，德國(guó)GEO600引力波探測(cè)儀開始建造，于2002年和LIGO項(xiàng)目一同記錄數(shù)據(jù)。
1996年，意大利VIRGO引力波探測(cè)儀開始建造，于2007年開始記錄數(shù)據(jù)。
2002年至2010年，初臺(tái)LIGO的探測(cè)儀開始工作，并沒(méi)有探測(cè)到引力波。
2007年，LIGO和VIRGO同意分享數(shù)據(jù)，形成了單一一條全球引力波探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。
2010年至2015年，2億500萬(wàn)美元用于升級(jí)LIGO的探測(cè)儀。
2015年，升級(jí)后的探測(cè)儀在9月投入使用。
2016年，2月11日，NSF和LIGO研究團(tuán)隊(duì)宣布成功探測(cè)到引力波。
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