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探測引力波:兩億美元的“賭注”

美國東部時間2016年2月11日上午10時30分,在美國國家科學基金會(NSF)舉行的新聞發布會上,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。

在加州理工學院(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家或物理學家們打賭的賭約,與史蒂芬·霍金的賭約也在其中。賭的內容各種各樣,既有黑洞的性質、“裸奇點”(不存在視界的黑洞)是否存在,也包括預期中宇宙大尺度上的性質。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,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日簽下了另一份關于引力波的賭約。這次打賭的對手是普林斯頓大學的耶利米·奧斯泰克,賭的是一箱上等紅酒。但科學家們沒有在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——激光干涉引力波天文臺(LIGO)的聯合創始人,索恩在發布會上表示,“通過這項發現,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。”

尋找引力波源

“引力是宇宙的統治者,弄明白了它在最細微尺度上的運作機制,也就理解了我們宇宙家園的本質特征。”美國科普作家瑪西亞·芭楚莎在解釋為什么要尋找引力波時,這樣寫道。

根據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,它就會發出攜帶引力能量的波動。因此,科學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——就像手風琴演奏時的風箱一樣地拉伸和擠壓。當引力波遇到行星、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,繼續趕路,并在此過程中繼續使周圍的空間不斷地膨脹、收縮著。

宇宙中任何有質量的物體都能發射出引力波——只要它運動,但引力波的強度取決于質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時,也持續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,這種輻射效應仍然無法引起我們的注意。月球在圍繞地球旋轉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出一兩個引力子來。當時,科學家們認為,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、超新星爆發以及黑洞的誕生等。但后來,科學家們通過詳細計算,發現超新星爆發所發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”,但索恩并未沿著導師的軌跡前進。1970年代,黑洞研究進入到黃金時代,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,在美國物理學家約瑟夫·韋伯的影響下,轉而開始注意到引力波。他將著眼點放在了基礎理論方面,其中包括尋找宇宙間什么樣的天體和事件能產生最強的引力波。

索恩明確提出,由兩個質量較大的黑洞組成雙星系統,在相互圍繞旋轉、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個太陽質量的黑洞碰撞所發出的引力波。

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,幅度能達到物體自身的尺寸。1.8米高的一個人,會在1毫秒內被拉伸到3.6米高,然后又擠壓為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地球時,它們對一個普通人造成的應變只有氫原子核的百億分之一左右。宇宙的怒濤至此已經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,很少有科學家對它感興趣。為何要為一個小得無法探測的效應費神呢?此外,引力波是否存在這個問題,還引發了一場持續約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。”

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射線發現的,而現在天文學家用光、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,引力波的發現,將變革人類對宇宙的認識。

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