探測引力波：兩億美元的“賭注”

錢煒

美國東部時間2016年2月11日上午10時30分，在美國國家科學(xué)基金會（NSF）舉行的新聞發(fā)布會上，兩位年逾古稀的老人——76歲的基普·索恩（Kip Thorne）與84歲的雷納·韋斯（Rainer Weiss），在眾人面前起身相擁，慶祝宣布探測到引力波的這一歷史時刻。為了這一刻，光頭大胡子索恩已追尋、等待了近半個世紀(jì)。

在加州理工學(xué)院（Caltech）索恩教授的辦公室門前，墻上掛著一排相框，一共10個，每一個相框中鑲嵌的都是索恩與天文學(xué)家或物理學(xué)家們打賭的賭約，與史蒂芬·霍金的賭約也在其中。賭的內(nèi)容各種各樣，既有黑洞的性質(zhì)、“裸奇點”（不存在視界的黑洞）是否存在，也包括預(yù)期中宇宙大尺度上的性質(zhì)。其中有一張手寫在Caltech專用信紙上的，是索恩與人打賭自賭約簽署的10年內(nèi)，即在1988年5月5日之前，人類就將探測到引力波。賭注是一頓盛宴。很明顯，索恩輸了。不過，樂天的他，又于1981年5月6日簽下了另一份關(guān)于引力波的賭約。這次打賭的對手是普林斯頓大學(xué)的耶利米·奧斯泰克，賭的是一箱上等紅酒。但科學(xué)家們沒有在2000年1月1日之前探測到引力波，索恩又輸了。

如今，索恩終于贏了。作為美國探測引力波的機構(gòu)——激光干涉引力波天文臺（LIGO）的聯(lián)合創(chuàng)始人，索恩在發(fā)布會上表示，“通過這項發(fā)現(xiàn)，我們將開啟一段波瀾壯闊的征程：探索宇宙彎曲那一面的征程?！?h3>尋找引力波源

“引力是宇宙的統(tǒng)治者，弄明白了它在最細(xì)微尺度上的運作機制，也就理解了我們宇宙家園的本質(zhì)特征?！泵绹破兆骷椰斘鱽啞ぐ懦诮忉尀槭裁匆獙ふ乙Σ〞r，這樣寫道。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，四維時空就像某種無限大的彈簧墊，有多種變形：可以被拉伸，也可以被壓縮，可以伸直，也可以彎曲，甚至有時還會呈鋸齒狀。

一個置身于時空舞臺上的物體，無論運動還是碰撞，都可以在柔軟的時空緞面上漾起層層波紋來。來回晃動一物體，它就會發(fā)出攜帶引力能量的波動。因此，科學(xué)家們有一個形象的比喻：引力波是引力引起的時空的漣漪。與彈簧床上的小球跳動時會在床的布面上產(chǎn)生振動并傳播出去一樣，引力波會像光波一樣向外傳播。但是，電磁波是在空間中傳播的，而引力波是時空自身的波動。這些波動交替著拉伸和擠壓空間——就像手風(fēng)琴演奏時的風(fēng)箱一樣地拉伸和擠壓。當(dāng)引力波遇到行星、恒星或其他物體時，它們不會駐足不前，而是直接穿其身而過，繼續(xù)趕路，并在此過程中繼續(xù)使周圍的空間不斷地膨脹、收縮著。

宇宙中任何有質(zhì)量的物體都能發(fā)射出引力波——只要它運動，但引力波的強度取決于質(zhì)量的大小和運動的特征。像恒星這樣的龐然大物有著強大的引力，但由于它（除隨整個星系的運動以外）根本不動，所以只有很少的引力輻射。地球在圍繞太陽旋轉(zhuǎn)時，也持續(xù)不斷地輻射出微弱的引力波，盡管直到宇宙走到生命盡頭時，這種輻射效應(yīng)仍然無法引起我們的注意。月球在圍繞地球旋轉(zhuǎn)時輻射出更微弱的引力波。即使玩跳繩的小孩子們，一蹦一跳之間也有很小的可能性會發(fā)出一兩個引力子來。當(dāng)時，科學(xué)家們認(rèn)為，較強的引力波來自于宇宙中最劇烈的運動：恒星之間的碰撞、超新星爆發(fā)以及黑洞的誕生等。但后來，科學(xué)家們通過詳細(xì)計算，發(fā)現(xiàn)超新星爆發(fā)所發(fā)出的引力波并沒有想象中那么大。

索恩的老師約翰·惠勒是“黑洞之父”，但索恩并未沿著導(dǎo)師的軌跡前進(jìn)。1970年代，黑洞研究進(jìn)入到黃金時代，但也同時意味著緊張、激烈與混亂的競爭。索恩并不喜歡這種感覺，他喜歡獨處和自由，在美國物理學(xué)家約瑟夫·韋伯的影響下，轉(zhuǎn)而開始注意到引力波。他將著眼點放在了基礎(chǔ)理論方面，其中包括尋找宇宙間什么樣的天體和事件能產(chǎn)生最強的引力波。

索恩明確提出，由兩個質(zhì)量較大的黑洞組成雙星系統(tǒng)，在相互圍繞旋轉(zhuǎn)、碰撞直至合并的過程中，將輻射出最強的引力波，也最有可能被人類探測到。而此次LIGO探測到的引力波，正是由距離地球13億光年的兩個大約30個太陽質(zhì)量的黑洞碰撞所發(fā)出的引力波。

示意圖：太陽和地球的周邊所充斥的扭曲的時間和空間。圖/激光干涉引力波天文臺

這樣的引力波會強到什么程度？事實上，如果你碰巧在現(xiàn)場的話，那你就死定了。這些波會交替擠壓和拉伸附近的物體，幅度能達(dá)到物體自身的尺寸。1.8米高的一個人，會在1毫秒內(nèi)被拉伸到3.6米高，然后又?jǐn)D壓為0.9米高，之后又會被拉伸。黑洞碰撞時，即使忽略其他在場的力，單單引力波的壓力就能將周圍的行星和衛(wèi)星撕得粉碎，這是個十分可怕的場面。幸運的是，等到這些波長途跋涉成千萬上億光年到達(dá)地球時，它們對一個普通人造成的應(yīng)變只有氫原子核的百億分之一左右。宇宙的怒濤至此已經(jīng)減弱為一個量子振動了。

由于引力波的信號太微弱了，愛因斯坦首次提出它時，很少有科學(xué)家對它感興趣。為何要為一個小得無法探測的效應(yīng)費神呢？此外，引力波是否存在這個問題，還引發(fā)了一場持續(xù)約40年的激烈爭論。許多人真的很懷疑它是不是憑空捏造出來的東西——相對論方程的一種虛無縹緲的產(chǎn)物。這種可能性還讓人惡作劇式地猜想，引力波是不是真的在“以思想的速度傳播”。就連愛因斯坦自己也曾懷疑過這一點。LIGO前主任巴里·巴里希曾這樣寫道：“引力波是自然界中最為敏銳的一種波。這部分是它的魅力所在，也是最受詬病的地方——就因為這個，很難探測到它們?！?/p>

然而，索恩堅持尋找引力波，這是因為，由于與電磁波的物理性質(zhì)不同，人類用引力波探測器來研究的物體，是不可能通過可見光、射電波與X射線發(fā)現(xiàn)的，而現(xiàn)在天文學(xué)家用光、射電波與X射線研究的物體，它們的引力波也是很難探測到的。這樣，引力的宇宙與電磁的宇宙看起來也會截然不同。因此，引力波的發(fā)現(xiàn)，將變革人類對宇宙的認(rèn)識。

一“波”三折的探測

最早堅定心意尋找引力波的人是約瑟夫·韋伯。1960年代末期，他開始用共振法測量引力波，用一個很大的棒狀金屬物體，利用引力波在物體的諧振頻率上引起共振的特點，希望從棒的振動中提取引力波的信號。韋伯發(fā)表了一些實驗結(jié)果，認(rèn)為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了引力波。但很可惜，他的實驗沒有人可以重復(fù)，而理論上也很難論證究竟是什么樣的過程發(fā)出了這么強烈的引力波信號。但是，韋伯的棒探測器研究激勵了一批科學(xué)家投身引力波事業(yè)。從20世紀(jì)70年代起，一批理論和實驗物理學(xué)家加入了引力波理論研究和實驗探測的行列，其中就包括索恩。

當(dāng)引力波的探測在半信半疑中逐漸開展之時，一個令人振奮的消息傳來。1975年，美國天文學(xué)家拉塞爾·赫爾斯與泰勒發(fā)現(xiàn)了一對脈沖雙星?？茖W(xué)家們通過其軌道頻率的演化，推斷出了這個雙星正在丟失能量，而這個能量丟失率和引力波導(dǎo)致的一致。這就間接證明了引力波的存在，赫爾斯與泰勒也因此獲得了1993年的諾貝爾獎。

在研究引力波的過程中，索恩也發(fā)現(xiàn)韋伯實驗存在的致命缺陷：棒探測器的最終靈敏度受制于測不準(zhǔn)原理。

測不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的一個基本特征。它說的是，如果你想高度精確地測量一個物體的位置，那么在測量過程中，你必然會對物體有一種反作用，從而以一種隨機的不可預(yù)料的方式干擾物體的速度。在對宏觀事物的測量上，測量的反作用只能產(chǎn)生極其輕微的速度擾動，但對于原子、電子及引力波這樣微小尺度的測量上，測不準(zhǔn)原理的效應(yīng)就凸顯出來。

在思路逐漸清晰之后，索恩希望在自己的學(xué)校開設(shè)一個引力波探測計劃，他成功游說了校方。不過，他自己只是一名理論物理學(xué)家，這個項目需要一位富有經(jīng)驗的實驗物理學(xué)家來組織。索恩花了很大力氣，挖來了英國格拉斯哥大學(xué)的羅納德·德雷維爾，后者明確告訴他，棒探測器這條路是行不通的，他更希望建設(shè)一種全新的干涉儀式的探測器。

當(dāng)時，想到這一點的人并不止德雷維爾一個。美國麻省理工學(xué)院（MIT）的實驗物理學(xué)家雷納·韋斯也注意到，引力波對物體之間距離的變化，和物體之間本來的距離成正比。這樣的話，如果把物體之間的距離拉的很遠(yuǎn)，并且把它們做成鏡子，然后用激光測距的方法測量鏡子之間的距離，就可以成倍地提高對引力波測量的精度。根據(jù)這一設(shè)想，他很早就在MIT開始建設(shè)干涉儀探測器。

因此，至1980年代，美國國內(nèi)出現(xiàn)了兩個干涉儀引力波探測器的研究團(tuán)隊——MIT的韋斯小組與Caltech的德雷維爾小組。1984年，為更好地利用研究經(jīng)費，NSF促使兩個團(tuán)隊聯(lián)合起來，由德雷維爾、韋斯與索恩共同領(lǐng)導(dǎo)。由于德雷維爾與韋斯合不來，索恩坦誠地說，這是“脆弱的婚姻”。

很快，NSF通過第三方評估發(fā)現(xiàn)，這個松散的、有裂痕的研究隊伍需要重新組織，以形成一個更加緊密團(tuán)結(jié)的團(tuán)隊。因此，到1990年之前，這個團(tuán)隊有了新的指揮者，并提出建設(shè)一套全國性的科學(xué)裝置：激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）。LIGO由兩套“L”型真空系統(tǒng)組成，一個在華盛頓州的漢福德，另一個位于路易斯安那州的利文斯頓附近。

2月11日，美國加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及激光干涉引力波天文臺（LIGO）的研究人員在華盛頓舉行的記者會上，顯示屏展現(xiàn)出了科學(xué)家們捕捉到的引力波信號圖像。

其實，NSF起初并不看好這一項目，更何況，那正好是美國聯(lián)邦預(yù)算縮減、很多大型科學(xué)項目都已叫停的年代。但NSF物理分部的正副領(lǐng)導(dǎo)人卻獨具慧眼，很看好這個想法，打定主意要一直照管這個項目，降低風(fēng)險，直到Caltech與MIT能夠接管這么一個工程再放手。對此，韋斯就曾回憶說，“這是一個奇跡，有這么多可能槍斃掉這個項目的因素，但NSF還是讓它存活了下來?！?/p>

1990年，NSF審核了LIGO的最終提議，所有環(huán)節(jié)看起來都無懈可擊，除了一點——經(jīng)費，這個項目總共需要2.11億美元。這是NSF當(dāng)時天文學(xué)總預(yù)算的兩倍。因此，這筆支出需要得到美國國會的同意。在兩年辛苦的政治游說之后，LIGO拿到了經(jīng)費，開工建設(shè)。

LIGO是經(jīng)過激烈爭論、政治與科學(xué)上的一系列妥協(xié)，以及與有著強硬個性和火爆脾氣的先驅(qū)科學(xué)家們的斗爭才走到今天的?；仡欉@一史詩般的歷程，人們或許會發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們對真理的迫切向往與瘋狂追求在全世界任何一個地方可能都沒有太大區(qū)別，而影響他們能否放手追逐自己心中理想的，是外部環(huán)境。

在2月11日的發(fā)布會上，NSF現(xiàn)任主任弗朗斯·考爾多瓦表示，“1992年批準(zhǔn)LIGO最初的基金項目是NSF有史以來最大的一筆投資，那是一項有很高風(fēng)險的資助，但這正是NSF需要承擔(dān)的項目。我們資助在發(fā)現(xiàn)之路上但其前路尚不清晰的基礎(chǔ)科學(xué)與工程。我們資助開路先鋒。這就是為什么美國依然是全球先進(jìn)知識的領(lǐng)導(dǎo)者的原因?！?/p>

（本文參考了基普·索恩著《黑洞與時間彎曲》，與瑪西亞·芭楚莎著《愛因斯坦尚未完成的交響樂》）