我們的銀河系。圖源：NASA/S. Brunier

導(dǎo)讀：

2015年9月14日，人類第一次探測(cè)到引力波的信號(hào)。從此，人類有了新的宇宙感知能力，天文學(xué)開(kāi)啟了新紀(jì)元。

本文獻(xiàn)給致力于揭開(kāi)宇宙秘密的探索者們。

瞿立建 | 撰文

十年前的今天，2015年9月14日，地球經(jīng)歷了一次壓縮和擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，歷時(shí)短短200毫秒，形變幅度約為氫原子大小的100億分之一，小得不可思議。

更不可思議的是，人類的智慧預(yù)言到了這一現(xiàn)象。

更更不可思議的是，人類以高超的技能探測(cè)到了這一現(xiàn)象。

地球的這一伸縮變化是14億年兩顆黑洞的碰撞造成的，黑洞碰撞會(huì)伸縮空間本身，空間的形變向遠(yuǎn)處傳播——稱為引力波，傳播到了地球所在的地方，地球也隨空間伸縮。為探測(cè)這一現(xiàn)象，美國(guó)花了11億美元，耗時(shí)40年，建造了兩座激光干涉引力波天文臺(tái)(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO），并最終達(dá)成了最初的預(yù)期。

但這一成就不是使命的結(jié)束，而是新篇章的開(kāi)始。

現(xiàn)在，讓我們先回到這一突破性發(fā)現(xiàn)的前一篇章，由愛(ài)因斯坦撰寫(xiě)。

SAIXIANSHENG

愛(ài)因斯坦說(shuō)：這就是引力波

有一個(gè)問(wèn)題，從伽利略(1564年2月15日—1642年1月8日）時(shí)代就令人困惑：不同質(zhì)量的物體，自由下落的加速度為何是一樣的？

200多年后，這個(gè)問(wèn)題被愛(ài)因斯坦（1879年3月14日—1955年4月18日）解決了。愛(ài)因斯坦在1915年提出一種新理論——廣義相對(duì)論，指出引力無(wú)需做任何調(diào)整，自動(dòng)讓所有不同質(zhì)量的物體產(chǎn)生相同的加速度。

愛(ài)因斯坦構(gòu)想廣義相對(duì)論的第一個(gè)靈感產(chǎn)生于1907年，當(dāng)時(shí)他還是瑞士專利局的職員。他的工作非常清閑，一天他坐在辦公室，腦子神游天外，突然冒出如下一個(gè)想法。

考慮以下兩種情形。一種情形是，物體在靜止的電梯里自由下落，加速度為g。另一種情形是，物體靜止，電梯以加速度g豎直上升。愛(ài)因斯坦說(shuō)，這兩種情形其實(shí)是無(wú)法分辨的。我們以為萬(wàn)物都受到引力，有可能是萬(wàn)物在做加速運(yùn)動(dòng)。 從電梯一側(cè)沿水平方向發(fā)射一束光，會(huì)發(fā)現(xiàn)另一側(cè)光點(diǎn)位置比光源位置要低一些，我們可以認(rèn)為，引力讓光線彎曲。

更合理的說(shuō)法是空間發(fā)生了彎曲。

我們知道，光在任意兩點(diǎn)之間總會(huì)沿最短的路徑前進(jìn)。對(duì)于一張紙上的兩個(gè)點(diǎn)，只有當(dāng)紙本身平坦時(shí)，兩點(diǎn)之間的最短路徑才是直線。如果紙是褶皺的，那么兩點(diǎn)之間的最短路徑也不再是直線了。于是我們可以認(rèn)為，既然光線向下彎曲了，其實(shí)顯示的是，空間是彎曲的。由于受到引力作用和做加速運(yùn)動(dòng)是無(wú)法區(qū)分的，因此引力也一定等同于空間的彎曲。

人們?cè)?jīng)認(rèn)為，太陽(yáng)和行星之間的引力就像一根無(wú)形的繩子，拴著行星圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。這是一種錯(cuò)覺(jué)。實(shí)際上，根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，是太陽(yáng)的質(zhì)量讓其周圍的空間發(fā)生彎曲，形成了一個(gè)谷，行星在谷的坡上運(yùn)動(dòng)。太陽(yáng)對(duì)行星并沒(méi)有引力作用，引力是假象，是空間幾何產(chǎn)生的假象。

太陽(yáng)使其周圍時(shí)空形成了一個(gè)谷，產(chǎn)生引力的效應(yīng)，使行星在低谷的斜坡上運(yùn)動(dòng)。圖源：LIGO

嚴(yán)格來(lái)講，被物質(zhì)彎曲的不僅是“空間”，而是時(shí)間和空間結(jié)成一體的“時(shí)空”。實(shí)際上，地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的路徑很大程度上是由于時(shí)空中時(shí)間部分的彎曲形成的，而空間部分的彎曲產(chǎn)生的影響相對(duì)較小。另外，彎曲時(shí)空的并不僅是物質(zhì)，而是能量，而質(zhì)量和能量是等價(jià)的。

美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒(John Wheeler)十分精辟地概括了愛(ài)因斯坦的引力理論：“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，而彎曲的時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)?！?/p>

約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler，1911年7月9日—2008年4月13日），美國(guó)理論物理學(xué)家，廣義相對(duì)論領(lǐng)域的重要學(xué)者。圖源：wikicommons

如果時(shí)空可以被物質(zhì)彎曲，那么物質(zhì)有加速度的話，會(huì)擾動(dòng)時(shí)空，這種擾動(dòng)應(yīng)該會(huì)向遠(yuǎn)處傳播，蕩起漣漪，即形成一種波。

會(huì)嗎？

愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出結(jié)論，這種波是可以產(chǎn)生的。這就是引力波。

你簡(jiǎn)單揮一揮手，就產(chǎn)生了無(wú)形的引力波，以光速?gòu)哪愕氖窒蛲鈧鞑?，轉(zhuǎn)眼間它已經(jīng)飛出地球大氣層，飛向廣袤的太空。

引力波波速與光速相同，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼鐵中聲速，說(shuō)明時(shí)空非?！皥?jiān)硬”，比鋼鐵硬1020倍。要讓如此堅(jiān)硬的東西振動(dòng)起來(lái)是非常非常困難的，想象一下，敲擊一面比鋼鐵硬倍1020的鑼。要在時(shí)空中蕩起引力波的，只能是那些由宇宙中大質(zhì)量天體的最劇烈的運(yùn)動(dòng)，比如黑洞碰撞合并、超新星爆發(fā)、中子星旋轉(zhuǎn)等。

經(jīng)計(jì)算可知，引力波從遙遠(yuǎn)的波源發(fā)出后，抵達(dá)地球時(shí)，振幅非常非常小，比原子乃至原子核還要小好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

可想而知，引力波信號(hào)是如此微弱，因此愛(ài)因斯坦剛提出它時(shí)，很少有科學(xué)家對(duì)它感興趣。干嗎要為一個(gè)小得無(wú)法探測(cè)的效應(yīng)費(fèi)神呢？此外，還有科學(xué)家認(rèn)為，引力波只是數(shù)學(xué)游戲，現(xiàn)實(shí)世界不存在。

不曾想，天文學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)了引力波存在的間接證據(jù)。

SAIXIANSHENG

發(fā)現(xiàn)引力波

1967年10月，劍橋大學(xué)安東尼·休伊什（Antony Hewish）教授的研究生——24歲的蘇珊·約瑟琳·貝爾（Susan Jocelyn Bell）檢測(cè)射電望遠(yuǎn)鏡收到的信號(hào)時(shí)，無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了一些有規(guī)律的脈沖信號(hào)，它們的周期十分穩(wěn)定，為1.337秒。起初她以為這是外星人發(fā)來(lái)的信號(hào)，但在接下來(lái)不到半年的時(shí)間里，又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)這樣的脈沖信號(hào)。后來(lái)人們確認(rèn)這是一類新的天體，并把它命名為“脈沖星”。

脈沖星發(fā)現(xiàn)者研究生蘇珊·約瑟琳·貝爾（1943年7月15日—）和她的導(dǎo)師安東尼·休伊什（1924年5月11日—2021年9月13日）。休伊什因脈沖星的發(fā)現(xiàn)而榮獲1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，貝爾（結(jié)婚后名為約瑟琳·貝爾·伯奈爾，Jocelyn Bell Burnell）無(wú)緣獲獎(jiǎng)，世人對(duì)此頗有微詞。圖源：Nature

發(fā)現(xiàn)脈沖星的論文引起了哈佛大學(xué)一位剛畢業(yè)的博士約瑟夫·胡頓·泰勒（Joseph Hooton Taylor，1941年3月29日—）的強(qiáng)烈興趣，他也投身于尋找脈沖星的活動(dòng)中。別的天文學(xué)家在打印的數(shù)據(jù)紙上找脈沖星，蘇珊·約瑟琳·貝爾在半年時(shí)間內(nèi)看的記錄紙連起來(lái)有5公里長(zhǎng)。泰勒編寫(xiě)了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，從射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)中自動(dòng)尋找。這個(gè)方法非常高效，一年多的時(shí)間里找到了11顆脈沖星。

理論學(xué)家們也對(duì)脈沖星展開(kāi)了研究，很快就弄清楚了，脈沖星其實(shí)是快速旋轉(zhuǎn)的中子星。

脈沖星（Pulsar），是高度磁化的旋轉(zhuǎn)致密星（通常是中子星，但也有白矮星），其磁極向外輻射出電磁波。這些電磁波就像燈塔的燈光一樣周期性地掃過(guò)地球，在地球上測(cè)量起來(lái)就是一系列準(zhǔn)時(shí)的脈沖，故名脈沖星。圖源：wikicommons。

1969年秋，泰勒獲得麻省大學(xué)阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst, 縮寫(xiě)：UMASS）教職，次年招了名研究生，拉塞爾·赫爾斯（Russell Hulse，1950年11月28日—），師徒繼續(xù)完善計(jì)算機(jī)程序，尋找更多脈沖星。

1973年12月，赫爾斯被導(dǎo)師泰勒派到波多黎各阿雷西博天文臺(tái)，利用那里的世界上最大的的單孔徑望遠(yuǎn)鏡尋找脈沖星。赫爾斯在那里工作到1975年1月，在14個(gè)月的時(shí)間里，找到了40顆新脈沖星。他還找到了一種特殊脈沖星：脈沖雙星，它和一顆中子星圍繞同一個(gè)質(zhì)心公轉(zhuǎn)。

赫爾斯畢業(yè)之后，泰勒和合作者對(duì)脈沖雙星做了長(zhǎng)達(dá)4年的細(xì)致觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)雙星軌道在收縮，旋轉(zhuǎn)速度在加快，說(shuō)明雙星系統(tǒng)的能量在減少。減少的能量去哪里了？泰勒給出了解釋，以引力波的形式輻射走了。觀測(cè)結(jié)果與引力波理論完美相符。泰勒說(shuō)：“就好像我們僅僅為了做這些觀測(cè)而自己制作了這么一個(gè)系統(tǒng)，并把它放在那里似的?！?/p>

泰勒和學(xué)生赫爾斯因發(fā)現(xiàn)史上第一個(gè)脈沖雙星以及引力波存在的間接定量證據(jù)，而共同獲得1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，沒(méi)有重演1974年諾貝爾獎(jiǎng)的遺憾。

泰勒和赫爾斯獲得諾貝爾獎(jiǎng)后在UMASS舉行的記者會(huì)上。圖源：UMASS

引力波的存在無(wú)可置疑。我們能不能直接探測(cè)到引力波呢？

其實(shí)，這方面的工作早就在進(jìn)行了。

SAIXIANSHENG

約瑟夫·韋伯：引力波天文學(xué)的污點(diǎn)開(kāi)創(chuàng)者

約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)于1940年畢業(yè)于美國(guó)海軍學(xué)院，之后在海軍服役，作為海軍軍官在二戰(zhàn)期間參加了對(duì)日本和意大利的作戰(zhàn)。

1943年至1945年，韋伯在海軍研究生院學(xué)習(xí)電子學(xué)，并獲得碩士學(xué)位。之后繼續(xù)在海軍服役。1948年，韋伯退伍，開(kāi)始在馬里蘭大學(xué)帕克分校執(zhí)教，同時(shí)攻讀博士學(xué)位。1951年，韋伯獲得美國(guó)天主教大學(xué)博士學(xué)位。在博士論文研究的基礎(chǔ)上，他提出了微波激射器的原理，卻沒(méi)有經(jīng)費(fèi)與實(shí)驗(yàn)條件將想法付諸實(shí)施，結(jié)果被別人實(shí)現(xiàn)出來(lái)。并且，別人還獲得了1964年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。韋伯對(duì)此感到非常遺憾，耿耿于懷，他決定進(jìn)入一個(gè)非常困難的領(lǐng)域，沒(méi)有人能與自己競(jìng)爭(zhēng)。

1955—1956學(xué)年，韋伯學(xué)術(shù)休假，得以和物理大師約翰·惠勒在普林斯頓高等研究院和荷蘭萊頓大學(xué)訪學(xué)、共事?；堇瞻秧f伯領(lǐng)入廣義相對(duì)論領(lǐng)域。

韋伯找到了自己要建立科學(xué)功勛的天地——引力波探測(cè)。

韋伯深入學(xué)習(xí)了相關(guān)知識(shí)，還于1961年出版了一本書(shū)，《廣義相對(duì)論和引力波》（

General Relativity and Gravitational Waves

韋伯的書(shū)《廣義相對(duì)論和引力波》（General Relativity and Gravitational Waves）

1960年，韋伯開(kāi)始發(fā)表論文，闡述他的測(cè)量引力波的原理。

引力波會(huì)拉伸和壓縮其經(jīng)過(guò)的空間，以及空間中的一切。韋伯提出，可以制作一個(gè)金屬圓柱作為引力波探測(cè)器。引力波通過(guò)時(shí)，金屬圓柱會(huì)伸縮，產(chǎn)生聲波，等引力波過(guò)去，金屬圓柱中的聲波還在，就像一面鑼停止敲擊之后依然在鳴響，金屬圓柱的聲波有可能通過(guò)壓電傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而記錄下來(lái)，尤其是當(dāng)金屬圓柱體發(fā)生共振時(shí)，即引力波頻率和金屬圓柱體固有頻率相同。

韋伯指導(dǎo)研究生將設(shè)想落地。1963年，韋伯建造的引力波探測(cè)器——后來(lái)稱為韋伯棒（Weber's bar）——開(kāi)始工作，并產(chǎn)生數(shù)據(jù)。

韋伯很快發(fā)現(xiàn)，外界各種干擾和金屬棒自身的原子振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。如何分辨出引力波造成的信號(hào)呢？

韋伯的解決辦法是，可以造出兩個(gè)一模一樣的探測(cè)器，并分放在兩處，如果兩個(gè)探測(cè)器記錄到一模一樣的信號(hào)，該信號(hào)一定有共同的起源，因?yàn)閮商綔y(cè)器受到完全一樣的外界干擾和自身原子振動(dòng)是不可能的。

韋伯把另一個(gè)探測(cè)器送到1100公里遠(yuǎn)處，待二者同時(shí)記錄下一模一樣的信號(hào)，韋伯標(biāo)注為“符合”。

1968年12月30日至1969年3月21日，韋伯共記錄到17個(gè)符合事件。1969年6月初，他在一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議上宣布了這些結(jié)果，并贏得了聽(tīng)眾經(jīng)久不息的掌聲。兩周后，他的論文正式發(fā)表。韋伯一時(shí)間上了各大報(bào)紙的頭版頭條。

但是，興奮很快就變成了質(zhì)疑。

韋伯 (Joseph Weber，1919年5月17日——2000年9月30日) 和他的探測(cè)器——韋伯棒。圖源：APS

世界各地的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家紛紛重復(fù)韋伯的實(shí)驗(yàn)，并開(kāi)發(fā)出精度更高的韋伯棒，結(jié)果統(tǒng)統(tǒng)一無(wú)所獲，而韋伯不斷報(bào)告新的觀測(cè)結(jié)果。

有人向韋伯的程序員索要了計(jì)算機(jī)程序副本，發(fā)現(xiàn)程序里有bug，脈沖貌似是人為生成的。

理論學(xué)家們也提出質(zhì)疑。理論學(xué)家稱，按韋伯的說(shuō)法，被探測(cè)到的引力波的波源來(lái)自銀河系，以韋伯記錄到的引力波事件推算，每年有相當(dāng)于 1千倍太陽(yáng)質(zhì)量的質(zhì)量被輻射掉，如果再加上被熱噪聲淹沒(méi)的引力波事件，每年有多達(dá) 10萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的質(zhì)量被輻射掉，銀河系早就應(yīng)該不存在了。銀河系每年都要發(fā)生很多次猛烈的天文學(xué)事件，且不被任何望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，這又怎么可能呢？這樣的天文學(xué)事件理應(yīng)連普通的雙筒望遠(yuǎn)鏡就可以看到。

1973年，IBM公司的物理學(xué)家理查德·加文(Richard Garwin,1928年4月19日—2025年5月13日)對(duì)韋伯的探測(cè)器做了非常令人信服的分析，確認(rèn)韋伯的結(jié)果是虛假的，韋伯有操縱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的嫌疑。

1974年6月，在MIT一次廣義相對(duì)論學(xué)術(shù)會(huì)議上，加文給出了自己的分析，與在坐的韋伯差點(diǎn)爆發(fā)肢體沖突。會(huì)議之后，二人繼續(xù)在美國(guó)物理學(xué)會(huì)的Physics Today雜志上展開(kāi)論戰(zhàn)。

1974年，在以色列舉行的第七屆國(guó)際廣義相對(duì)論和引力大會(huì)上，引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)的各路大咖幾乎都來(lái)了，分別報(bào)告了自己的結(jié)果，除韋伯外，大家都一無(wú)所獲。這次會(huì)議之后，大家達(dá)成共識(shí)：韋伯錯(cuò)了。

韋伯的信譽(yù)徹底破產(chǎn)，但他啟動(dòng)的引力波探測(cè)事業(yè)的列車，繼續(xù)滾滾向前。

韋伯繼續(xù)他的引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)，直到去世，但他的工作再?zèng)]有人關(guān)心了。

1980年代，物理學(xué)家開(kāi)始發(fā)展第二代韋伯棒，將韋伯棒置于接近于絕對(duì)零度的低溫環(huán)境中，以抑制棒本身的熱噪聲，靈敏度是室溫韋伯棒的1萬(wàn)倍。美國(guó)、意大利、日本等國(guó)建造了多個(gè)裝置，但都沒(méi)能探測(cè)到引力波。

韋伯棒這條路看來(lái)難以走通。

直接探測(cè)引力波，還有路可走嗎？

有，這條路出現(xiàn)在MIT廣義相對(duì)論課程的一道作業(yè)題里。

SAIXIANSHENG

LIGO的艱難誕生

1967年，MIT物理系問(wèn)年輕的教授雷納·韋斯（Rainer Weiss,1932年9月29日-2025年8月 25日）能不能給研究生講授《廣義相對(duì)論》課程。韋斯做實(shí)驗(yàn)研究，并不精通廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)理論，但他還是承接了這一課程，認(rèn)為這是一個(gè)掌握廣義相對(duì)論理論的機(jī)會(huì)。（相關(guān)閱讀：）

韋斯說(shuō)：“那是地獄般的一年，我花費(fèi)了自己幾乎所有的自由時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)相對(duì)論。有時(shí)我的學(xué)習(xí)進(jìn)度僅比我的學(xué)生們快一天，而他們遠(yuǎn)比我聰明?！?/p>

有一次上課，同學(xué)們請(qǐng)韋斯對(duì)韋伯棒探測(cè)引力波做一下分析。韋斯思考之后表示，自己不太搞得懂。他給學(xué)生留了一道作業(yè)題：分析用激光干涉儀探測(cè)引力波是否可行？

激光干涉儀的基本原理示意圖。將一束激光分成兩束，兩束光呈L形，稱為干涉儀的兩臂。這兩束光再次被平面鏡反射回來(lái)，重新匯聚在觀察屏上，屏上會(huì)出現(xiàn)干涉圖樣。如果引力波通過(guò)這里，兩臂長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉圖樣發(fā)生變化，據(jù)此可反推出引力波性質(zhì)。LIGO所用干涉儀中，兩束光會(huì)在在兩臂光路中反射多次，再重新匯聚，上圖沒(méi)有體現(xiàn)這一點(diǎn)。圖源：wikicommons

韋斯不知道的是，激光干涉儀探測(cè)引力波的想法多年前已被蘇聯(lián)學(xué)者提出，但發(fā)表在俄語(yǔ)期刊上，因此不為美國(guó)學(xué)者所知。不過(guò)，加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家基普·索恩（Kip Stephen Thorne）與蘇聯(lián)學(xué)者關(guān)系密切，知曉此方法。索恩與別人合著的書(shū)《引力論》（

Gravitation

1972年，韋斯系統(tǒng)論述了激光干涉儀測(cè)量引力波的原理，發(fā)表在MIT的內(nèi)部刊物上。

那時(shí)，韋斯已經(jīng)著手研制引力波激光干涉儀原型機(jī)。他與歐洲科學(xué)家合作，研制成功了3米至30米臂長(zhǎng)的原型機(jī)。韋斯想繼續(xù)推進(jìn)研究，卻失去了經(jīng)費(fèi)支持。

1975年，韋斯與索恩參加同一個(gè)會(huì)議，住在同一個(gè)房間，二人一直討論引力波直到凌晨四點(diǎn)。韋斯成功地讓索恩轉(zhuǎn)變了對(duì)激光干涉儀的看法。

索恩開(kāi)始著手理論研究，計(jì)算出了不同靈敏度的激光干涉儀能探測(cè)到多少引力波信號(hào)。結(jié)論是，激光干涉儀只要靈敏度夠高，有能力捕捉到其他星系中的天文事件所產(chǎn)生的引力波，最遠(yuǎn)可達(dá)數(shù)千萬(wàn)光年，每年可捕捉到多個(gè)引力波信號(hào)。

索恩還開(kāi)始努力在加州理工學(xué)院建設(shè)一個(gè)探測(cè)裝置。有一個(gè)八卦說(shuō)法，索恩的前女友嫁給了韋伯，索恩要在引力波探測(cè)方面壓過(guò)情敵。

為了解決技術(shù)挑戰(zhàn)，索恩還將天才實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家羅納德·德雷弗（Ronald Drever）從歐洲引進(jìn)到了加州理工。

羅納德·德雷弗（Ronald Drever，1931年10月26日—2017年3月7日），蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)教授，核物理、宇宙射線物理和各種大型科研項(xiàng)目探測(cè)器建造專家。他在牛津大學(xué)出差時(shí)聽(tīng)了韋伯的學(xué)術(shù)報(bào)告，感覺(jué)自己能比韋伯做得更好。他建造了兩個(gè)韋伯棒，最終什么也沒(méi)探測(cè)到。圖源：wikicommons

索恩、韋斯開(kāi)始努力尋求資助?？墒牵f伯把引力波探測(cè)這個(gè)領(lǐng)域的名聲搞臭了。索恩四處活動(dòng)，訴說(shuō)著這個(gè)領(lǐng)域的前景，他說(shuō)：“有必要擦除韋伯留下的污跡，并在全美維持這方面研究的動(dòng)力?！?/p>

索恩的工作沒(méi)有白費(fèi)，激光干涉儀探測(cè)引力波項(xiàng)目，后來(lái)命名為L(zhǎng)IGO（激光干涉引力波天文臺(tái)，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory），獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助。項(xiàng)目由索恩、德雷弗、韋斯三人委員會(huì)負(fù)責(zé)管理。

項(xiàng)目第一步，在加州理工校園內(nèi)建設(shè)一個(gè)更大的激光干涉儀原型機(jī)。這座原型機(jī)臂長(zhǎng)40米，選擇40米長(zhǎng)，并不是出于科學(xué)上的考慮。德雷弗想做得更長(zhǎng)一些，可是被一棵樹(shù)給擋住了，學(xué)校不讓砍樹(shù)。

德雷弗果然是天才，解決了很多技術(shù)難題。但天才也有另外一個(gè)缺點(diǎn)，每天能冒出好多點(diǎn)子，德雷弗想把每個(gè)想法都試一試，這又嚴(yán)重阻礙了進(jìn)度。德雷弗的工作風(fēng)格讓他與注重嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捻f斯發(fā)生嚴(yán)重矛盾。

1987年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）要求改變項(xiàng)目管理方式，停止“三巨頭”模式，要任命一個(gè)說(shuō)了算的“老板”。加州理工學(xué)院的羅克斯·沃格特（Rochus Vogt）走馬上任項(xiàng)目主管。沃格特在領(lǐng)導(dǎo)大型科研項(xiàng)目方面有著光輝的記錄，這次也不負(fù)眾望，非常有領(lǐng)導(dǎo)能力和決斷能力，對(duì)技術(shù)方案，快速做出決策，各種技術(shù)難題得以快速解決，如期完成了階段性目標(biāo)。

德雷弗依然如故，工作起來(lái)隨心所欲，經(jīng)常隨意偏離商定好的技術(shù)方案，而沃格特要求，大項(xiàng)目科研紀(jì)律要嚴(yán)，項(xiàng)目進(jìn)度要按計(jì)劃推進(jìn)。二人相處并不融洽。

羅克斯·沃格特（Rochus Vogt，1929年12月21日——），德裔美國(guó)物理學(xué)家，LIGO第一任項(xiàng)目主管。圖源：wikicommons

1990年，LIGO建設(shè)計(jì)劃書(shū)擺上了NSF的案頭。計(jì)劃書(shū)得到評(píng)審專家一致好評(píng)，只是預(yù)算太高了，2.11億美元，是NSF當(dāng)時(shí)史上預(yù)算最大的項(xiàng)目，是天文學(xué)研究總預(yù)算的兩倍。

很多天文學(xué)家提出反對(duì)，為一個(gè)前景不明的項(xiàng)目犧牲很多技術(shù)方案成熟的項(xiàng)目，值得嗎？這么多錢(qián)不如多建幾座望遠(yuǎn)鏡。有天文學(xué)家還說(shuō)，這份申請(qǐng)書(shū)要建設(shè)的東西根本不能叫天文臺(tái)，那只是個(gè)激光物理實(shí)驗(yàn)，他們從來(lái)沒(méi)探測(cè)到過(guò)什么，他們也不知道探測(cè)天空哪一部分。

一貫反對(duì)大項(xiàng)目的凝聚態(tài)物理學(xué)家菲利普·安德森（Philip Warren Anderson，1923年12月13日—2020年3月29日）反問(wèn)道：“要不是愛(ài)因斯坦的名聲在撐著，NSF會(huì)投上哪怕一分錢(qián)嗎？”

還有意見(jiàn)認(rèn)為，有限的政府資金應(yīng)該花在那些低投入高回報(bào)的科研項(xiàng)目上。

LIGO項(xiàng)目的支持者不僅要說(shuō)服各學(xué)科的質(zhì)疑者，還要說(shuō)服國(guó)會(huì)議員，因?yàn)檫@么大額的撥款需要國(guó)會(huì)批準(zhǔn)。沃格特專門(mén)請(qǐng)了一位教練，培訓(xùn)自己游說(shuō)議員的技巧。沃格特的培訓(xùn)沒(méi)有白費(fèi)，在國(guó)會(huì)進(jìn)行了成功的游說(shuō)。有位議員被沃格特講述的宇宙故事吸引了，推掉了兩個(gè)原定的日程安排，成為L(zhǎng)IGO的鐵桿支持者。沃格特游走了國(guó)會(huì)兩年，終于讓國(guó)會(huì)批準(zhǔn)了撥款。

這是1992年。

前景大好之時(shí)，LIGO內(nèi)部又出問(wèn)題。德雷弗與沃格特的矛盾公開(kāi)爆發(fā)。與德雷弗合作糟心的人，忍受不了沃格特強(qiáng)硬管理方式的人，也都站出來(lái)訴說(shuō)委屈。局面簡(jiǎn)直無(wú)法收拾。

最終，德雷弗在1992年被沃格特趕出LIGO團(tuán)隊(duì)。但沃格特與國(guó)家科學(xué)基金會(huì)又產(chǎn)生沖突。1994年，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)免去沃格特職務(wù)。二人都得到一個(gè)悲劇性結(jié)局。

1994年，LIGO團(tuán)隊(duì)迎來(lái)新的項(xiàng)目主管巴里·克拉克·巴里什（Barry Clark Barish）。巴里什之前在超級(jí)超導(dǎo)對(duì)撞機(jī)（SSC）項(xiàng)目任職，這個(gè)已經(jīng)耗資20億美元的大項(xiàng)目在1993年被國(guó)會(huì)取消，巴里什此時(shí)正好賦閑。

巴里什在SSC這樣的超級(jí)大項(xiàng)目歷練過(guò)，并且作為加州理工的同事，冷眼旁觀了LIGO內(nèi)部的重重問(wèn)題。他以高超的領(lǐng)導(dǎo)能力，帶領(lǐng)LIGO團(tuán)隊(duì)走上正軌，內(nèi)部氛圍變得融洽。

LIGO團(tuán)隊(duì)大部分科學(xué)家是獨(dú)立自主的小課題組負(fù)責(zé)人，沒(méi)有大項(xiàng)目工作經(jīng)歷，不習(xí)慣于嚴(yán)格的進(jìn)度安排，不僅要考慮科學(xué)問(wèn)題，還要根據(jù)財(cái)政預(yù)算和工程現(xiàn)實(shí)問(wèn)題妥協(xié)。在巴里什領(lǐng)導(dǎo)下，LIGO團(tuán)隊(duì)逐漸完成了這一文化轉(zhuǎn)變。

巴里什還要解決諸多外部問(wèn)題。

巴里什上任后，與國(guó)家科學(xué)基金會(huì)溝通，不僅要落實(shí)預(yù)算，還要再追加預(yù)算。巴里什成功讓資金到位，并多增了1億美元。

LIGO項(xiàng)目需要興建兩座近乎完全一樣的天文臺(tái)，理由與韋伯需要建兩個(gè)韋伯棒類似，為了排除干擾信號(hào)，找到真正的引力波信號(hào)。兩座天文臺(tái)選址分別位于路易斯安那州的利文斯頓與華盛頓州的漢福德，相距3000公里。

LIGO兩座天文臺(tái)在美國(guó)的位置。

利文斯頓當(dāng)?shù)貥O端宗教團(tuán)體聽(tīng)說(shuō)，這里要修建的天文臺(tái)將接收10億年前的宇宙信號(hào)，極力表示反對(duì)，因?yàn)檫@與他們的宗教教義沖突。征收私人土地方面也遇到當(dāng)?shù)鼐用竦牡种?。利文斯頓發(fā)揮智慧，解決了問(wèn)題。

1994年和1995年，兩座天文臺(tái)破土動(dòng)工，1999年竣工。

之后，有極端分子槍擊利文斯頓天文臺(tái)建筑。美國(guó)FBI建議天文臺(tái)周圍建設(shè)高墻，巴里什沒(méi)有同意，而是與當(dāng)?shù)蒯鳙C俱樂(lè)部的頭面人物共進(jìn)午餐，得到了當(dāng)?shù)厝说陌踩ＷC。

漢福德居民懷疑正在修建的工程是巨大的激光武器。天文臺(tái)一位熱心科普的科學(xué)家制作了一臺(tái)演示儀，在當(dāng)?shù)貙W(xué)校向?qū)W生公眾演示了兩條幾千米長(zhǎng)的管道到底是干什么的?；顒?dòng)非常成功，引起孩子們極大興趣，打消了公眾的顧慮。

2002年正式進(jìn)行第一次探測(cè)引力波，2010年結(jié)束搜集數(shù)據(jù)。這一代的探測(cè)器的目的是進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，沒(méi)指望探測(cè)到引力波，也確實(shí)沒(méi)有探測(cè)到引力波。

2008年，開(kāi)始研制升級(jí)版LIGO零部件。2011年LIGO升級(jí)工程開(kāi)始，2014年完成。

現(xiàn)在的LIGO團(tuán)隊(duì)有1200人，來(lái)自16個(gè)國(guó)家。所有人都勤奮工作，希望升級(jí)版LIGO早日能夠運(yùn)行。大家都把目光投向一個(gè)最后期限——愛(ài)因斯坦引力波論文發(fā)表100周年紀(jì)念日。

SAIXIANSHENG

轟動(dòng)

2015年9月14日，LIGO兩座天文臺(tái)還在處于測(cè)試階段。午夜時(shí)分，工作人員都下班回去休息了，探測(cè)器靜靜地開(kāi)著機(jī)。凌晨時(shí)分，漢福德和利文斯頓的探測(cè)器記錄下一個(gè)一模一樣脈沖信號(hào)，前后僅相差10毫米。

漢福德天文臺(tái)負(fù)責(zé)人邁克·蘭德里（Mike Landry）上班之后，查閱工作日志，發(fā)現(xiàn)很多同事已經(jīng)在討論凌晨自動(dòng)記錄下的一個(gè)脈沖，有人樂(lè)觀地認(rèn)為這是引力波信號(hào)。蘭德里認(rèn)為這是盲注測(cè)試信號(hào)。盲注測(cè)試為故意在數(shù)據(jù)流中悄悄地注入一個(gè)虛假信號(hào)，目的是檢測(cè)觀測(cè)設(shè)施準(zhǔn)備情況以及處理真實(shí)信號(hào)的能力。蘭德里心中抱怨盲注小組擅自行動(dòng)。

上午8點(diǎn)半，漢福德天文臺(tái)例會(huì)上，蘭德里問(wèn)盲注小組，盲注測(cè)試已經(jīng)開(kāi)始做了嗎。盲注小組成員回答還沒(méi)有。蘭德里追問(wèn)，確定沒(méi)有嗎。盲注小區(qū)回答，確定沒(méi)有。

蘭德里想起凌晨的脈沖信號(hào)，心里不平靜了。

上午9點(diǎn)，LIGO國(guó)際合作組線上會(huì)議上，大家熱議凌晨的脈沖信號(hào)，普遍認(rèn)為是盲注測(cè)試。蘭德里發(fā)言：這個(gè)異常信號(hào)不是盲注測(cè)試。大家都很震驚。

這個(gè)異常信號(hào)的分析工作馬上展開(kāi)了。

2015年12月，分析工作完成，確認(rèn)LIGO成功探測(cè)到了引力波探測(cè)，并且觀測(cè)到第一個(gè)雙黑洞系統(tǒng)。

發(fā)生碰撞的這一對(duì)黑洞，一個(gè)質(zhì)量是太陽(yáng)的29倍，另一個(gè)是太陽(yáng)的36倍。在碰撞之前，兩個(gè)黑洞相互繞對(duì)方運(yùn)行，它們運(yùn)行的最后4圈，只持續(xù)了200毫秒，輻射出的引力波，跨越了14億光年的距離，來(lái)到了地球。經(jīng)過(guò)了LIGO的兩座天文臺(tái)，使干涉臂的長(zhǎng)度發(fā)生了相當(dāng)于質(zhì)子直徑千分之一的變化。這就是史上首次探測(cè)到的引力波。

人類首次直接探測(cè)到的引力波GW150914探測(cè)結(jié)果及理論分析。圖源：wikicommons

第一次成功的引力波探測(cè)，趕在了愛(ài)因斯坦引力波論文發(fā)表100周年紀(jì)念日之前，完成了大家的心愿。

2016年2月11日，美國(guó)為第一次直接探測(cè)到引力波舉行新聞發(fā)布會(huì)，正值中國(guó)春節(jié)假期，當(dāng)時(shí)的轟動(dòng)效應(yīng)，許多人還記憶猶新。

2016年2月11日，LIGO新聞發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，攝影：崔箏

2017年，韋斯、索恩、巴里什“因?qū)IGO探測(cè)器及引力波探測(cè)的決定性貢獻(xiàn)”獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，從左至右依次為巴里什、索恩、韋斯。圖源：LIGO官網(wǎng)。

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結(jié)語(yǔ)

2015年9月14日，開(kāi)啟了天文學(xué)的新紀(jì)元。

在這一天之前，天體物理學(xué)家以及宇宙學(xué)家的對(duì)于天體的觀測(cè)基于電磁輻射以及宇宙射線、星風(fēng)以及中微子等粒子。這些手段具有明顯的局限性。許多物質(zhì)都不能放出輻射，而這些輻射在傳播過(guò)程中也會(huì)受到其他系統(tǒng)的阻礙。還有天體的物質(zhì)不參與電磁相互作用，除了通過(guò)引力作用外可能并沒(méi)有能探測(cè)到它們的手段。

現(xiàn)在，人類即將掌握直接探測(cè)引力波的能力，將可以將它作為天體觀測(cè)新手段。相對(duì)于電磁波和粒子而言，引力波在時(shí)空中傳播所受到的阻礙較少，而不發(fā)光的物質(zhì)卻依然具有引力作用。

早期宇宙的不透明性似乎并不會(huì)對(duì)于那時(shí)產(chǎn)生的引力波造成太大的影響。如果這些引力波能被探測(cè)到的話，那么它們將提供一個(gè)觀測(cè)宇宙產(chǎn)生之初的圖景的一個(gè)視角。

引力波天文學(xué)通常被描述為“傾聽(tīng)”宇宙。當(dāng)然，引力波與聲音無(wú)關(guān)，盡管如此，這仍然是一個(gè)強(qiáng)有力和有價(jià)值的比喻。引力波是新的宇宙信使，它將給我們講述新的宇宙故事。

最后，請(qǐng)?jiān)俅温?tīng)一下LIGO記錄的第一個(gè)引力波。

參考資料：

1.追蹤引力波：尋找時(shí)空的漣漪，圖靈新知·人民郵電出版社

2.愛(ài)因斯坦的未完成交響曲，湖南科技出版社

3.時(shí)空的秘密，中信出版社

4.引力波: 發(fā)現(xiàn)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論缺失的“最后一塊拼圖”，鸚鵡螺·中信出版社

BOOK TIME

《黑洞與時(shí)間彎曲》

[美] 基普·索恩 著

李泳 譯

湖南科學(xué)技術(shù)出版社

2018年3月 出版

《引力世紀(jì)》

[美] 羅恩·考恩 著

王曉濤 譯

上?？茖W(xué)技術(shù)出版社

2021年5月 出版

本文轉(zhuǎn)載自“賽先生”公眾號(hào)。

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