我們的銀河系。圖源：NASA/S. Brunier

導(dǎo)讀：

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

本文獻給致力于揭開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)歷了一次壓縮和擴張運動，歷時短短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，黑洞碰撞會伸縮空間本身，空間的形變向遠處傳播——稱為引力波，傳播到了地球所在的地方，地球也隨空間伸縮。為探測這一現(xiàn)象，美國花了11億美元，耗時40年，建造了兩座激光干涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO），并最終達成了最初的預(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，由愛因斯坦撰寫。

SAIXIANSHENG

愛因斯坦說：這就是引力波

有一個問題，從伽利略(1564年2月15日—1642年1月8日）時代就令人困惑：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，這個問題被愛因斯坦（1879年3月14日—1955年4月18日）解決了。愛因斯坦在1915年提出一種新理論——廣義相對論，指出引力無需做任何調(diào)整，自動讓所有不同質(zhì)量的物體產(chǎn)生相同的加速度。

愛因斯坦構(gòu)想廣義相對論的第一個靈感產(chǎn)生于1907年，當(dāng)時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。愛因斯坦說，這兩種情形其實是無法分辨的。我們以為萬物都受到引力，有可能是萬物在做加速運動。 從電梯一側(cè)沿水平方向發(fā)射一束光，會發(fā)現(xiàn)另一側(cè)光點位置比光源位置要低一些，我們可以認為，引力讓光線彎曲。

更合理的說法是空間發(fā)生了彎曲。

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

人們曾經(jīng)認為，太陽和行星之間的引力就像一根無形的繩子，拴著行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。這是一種錯覺。實際上，根據(jù)愛因斯坦的理論，是太陽的質(zhì)量讓其周圍的空間發(fā)生彎曲，形成了一個谷，行星在谷的坡上運動。太陽對行星并沒有引力作用，引力是假象，是空間幾何產(chǎn)生的假象。

太陽使其周圍時空形成了一個谷，產(chǎn)生引力的效應(yīng)，使行星在低谷的斜坡上運動。圖源：LIGO

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

美國物理學(xué)家約翰·惠勒(John Wheeler)十分精辟地概括了愛因斯坦的引力理論：“物質(zhì)告訴時空如何彎曲，而彎曲的時空告訴物質(zhì)如何運動。”

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

如果時空可以被物質(zhì)彎曲，那么物質(zhì)有加速度的話，會擾動時空，這種擾動應(yīng)該會向遠處傳播，蕩起漣漪，即形成一種波。

會嗎？

愛因斯坦經(jīng)過計算，得出結(jié)論，這種波是可以產(chǎn)生的。這就是引力波。

你簡單揮一揮手，就產(chǎn)生了無形的引力波，以光速從你的手向外傳播，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，遠遠大于鋼鐵中聲速，說明時空非?！皥杂病保蠕撹F硬1020倍。要讓如此堅硬的東西振動起來是非常非常困難的，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動，比如黑洞碰撞合并、超新星爆發(fā)、中子星旋轉(zhuǎn)等。

經(jīng)計算可知，引力波從遙遠的波源發(fā)出后，抵達地球時，振幅非常非常小，比原子乃至原子核還要小好幾個數(shù)量級。

可想而知，引力波信號是如此微弱，因此愛因斯坦剛提出它時，很少有科學(xué)家對它感興趣。干嗎要為一個小得無法探測的效應(yīng)費神呢？此外，還有科學(xué)家認為，引力波只是數(shù)學(xué)游戲，現(xiàn)實世界不存在。

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）檢測射電望遠鏡收到的信號時，無意中發(fā)現(xiàn)了一些有規(guī)律的脈沖信號，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)來的信號，但在接下來不到半年的時間里，又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)了數(shù)個這樣的脈沖信號。后來人們確認這是一類新的天體，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，貝爾（結(jié)婚后名為約瑟琳·貝爾·伯奈爾，Jocelyn Bell Burnell）無緣獲獎，世人對此頗有微詞。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—）的強烈興趣，他也投身于尋找脈沖星的活動中。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·貝爾在半年時間內(nèi)看的記錄紙連起來有5公里長。泰勒編寫了一個計算機程序，從射電望遠鏡數(shù)據(jù)中自動尋找。這個方法非常高效，一年多的時間里找到了11顆脈沖星。

理論學(xué)家們也對脈沖星展開了研究，很快就弄清楚了，脈沖星其實是快速旋轉(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地球，在地球上測量起來就是一系列準(zhǔn)時的脈沖，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：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)完善計算機程序，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，利用那里的世界上最大的的單孔徑望遠鏡尋找脈沖星。赫爾斯在那里工作到1975年1月，在14個月的時間里，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質(zhì)心公轉(zhuǎn)。

赫爾斯畢業(yè)之后，泰勒和合作者對脈沖雙星做了長達4年的細致觀測，發(fā)現(xiàn)雙星軌道在收縮，旋轉(zhuǎn)速度在加快，說明雙星系統(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。觀測結(jié)果與引力波理論完美相符。泰勒說：“就好像我們僅僅為了做這些觀測而自己制作了這么一個系統(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，沒有重演1974年諾貝爾獎的遺憾。

泰勒和赫爾斯獲得諾貝爾獎后在UMASS舉行的記者會上。圖源：UMASS

引力波的存在無可置疑。我們能不能直接探測到引力波呢？

其實，這方面的工作早就在進行了。

SAIXIANSHENG

約瑟夫·韋伯：引力波天文學(xué)的污點開創(chuàng)者

約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)于1940年畢業(yè)于美國海軍學(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，開始在馬里蘭大學(xué)帕克分校執(zhí)教，同時攻讀博士學(xué)位。1951年，韋伯獲得美國天主教大學(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，卻沒有經(jīng)費與實驗條件將想法付諸實施，結(jié)果被別人實現(xiàn)出來。并且，別人還獲得了1964年的諾貝爾物理學(xué)獎。韋伯對此感到非常遺憾，耿耿于懷，他決定進入一個非常困難的領(lǐng)域，沒有人能與自己競爭。

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。惠勒把韋伯領(lǐng)入廣義相對論領(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。

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

General Relativity and Gravitational Waves

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

1960年，韋伯開始發(fā)表論文，闡述他的測量引力波的原理。

引力波會拉伸和壓縮其經(jīng)過的空間，以及空間中的一切。韋伯提出，可以制作一個金屬圓柱作為引力波探測器。引力波通過時，金屬圓柱會伸縮，產(chǎn)生聲波，等引力波過去，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壓電傳感器轉(zhuǎn)換成電信號而記錄下來，尤其是當(dāng)金屬圓柱體發(fā)生共振時，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器——后來稱為韋伯棒（Weber's bar）——開始工作，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都會產(chǎn)生信號。如何分辨出引力波造成的信號呢？

韋伯的解決辦法是，可以造出兩個一模一樣的探測器，并分放在兩處，如果兩個探測器記錄到一模一樣的信號，該信號一定有共同的起源，因為兩探測器受到完全一樣的外界干擾和自身原子振動是不可能的。

韋伯把另一個探測器送到1100公里遠處，待二者同時記錄下一模一樣的信號，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個符合事件。1969年6月初，他在一個學(xué)術(shù)會議上宣布了這些結(jié)果，并贏得了聽眾經(jīng)久不息的掌聲。兩周后，他的論文正式發(fā)表。韋伯一時間上了各大報紙的頭版頭條。

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) 和他的探測器——韋伯棒。圖源：APS

世界各地的實驗物理學(xué)家紛紛重復(fù)韋伯的實驗，并開發(fā)出精度更高的韋伯棒，結(jié)果統(tǒng)統(tǒng)一無所獲，而韋伯不斷報告新的觀測結(jié)果。

有人向韋伯的程序員索要了計算機程序副本，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，按韋伯的說法，被探測到的引力波的波源來自銀河系，以韋伯記錄到的引力波事件推算，每年有相當(dāng)于 1千倍太陽質(zhì)量的質(zhì)量被輻射掉，如果再加上被熱噪聲淹沒的引力波事件，每年有多達 10萬倍太陽質(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，且不被任何望遠鏡觀測到，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)對韋伯的探測器做了非常令人信服的分析，確認韋伯的結(jié)果是虛假的，韋伯有操縱實驗數(shù)據(jù)的嫌疑。

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

1974年，在以色列舉行的第七屆國際廣義相對論和引力大會上，引力波探測實驗的各路大咖幾乎都來了，分別報告了自己的結(jié)果，除韋伯外，大家都一無所獲。這次會議之后，大家達成共識：韋伯錯了。

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

韋伯繼續(xù)他的引力波探測實驗，直到去世，但他的工作再沒有人關(guān)心了。

1980年代，物理學(xué)家開始發(fā)展第二代韋伯棒，將韋伯棒置于接近于絕對零度的低溫環(huán)境中，以抑制棒本身的熱噪聲，靈敏度是室溫韋伯棒的1萬倍。美國、意大利、日本等國建造了多個裝置，但都沒能探測到引力波。

韋伯棒這條路看來難以走通。

直接探測引力波，還有路可走嗎？

有，這條路出現(xiàn)在MIT廣義相對論課程的一道作業(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《廣義相對論》課程。韋斯做實驗研究，并不精通廣義相對論的數(shù)學(xué)理論，但他還是承接了這一課程，認為這是一個掌握廣義相對論理論的機會。（相關(guān)閱讀：）

韋斯說：“那是地獄般的一年，我花費了自己幾乎所有的自由時間來學(xué)習(xí)相對論。有時我的學(xué)習(xí)進度僅比我的學(xué)生們快一天，而他們遠比我聰明。”

有一次上課，同學(xué)們請韋斯對韋伯棒探測引力波做一下分析。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，重新匯聚在觀察屏上，屏上會出現(xiàn)干涉圖樣。如果引力波通過這里，兩臂長度會發(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，兩束光會在在兩臂光路中反射多次，再重新匯聚，上圖沒有體現(xiàn)這一點。圖源：wikicommons

韋斯不知道的是，激光干涉儀探測引力波的想法多年前已被蘇聯(lián)學(xué)者提出，但發(fā)表在俄語期刊上，因此不為美國學(xué)者所知。不過，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《引力論》（

Gravitation

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

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

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

索恩開始著手理論研究，計算出了不同靈敏度的激光干涉儀能探測到多少引力波信號。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，最遠可達數(shù)千萬光年，每年可捕捉到多個引力波信號。

索恩還開始努力在加州理工學(xué)院建設(shè)一個探測裝置。有一個八卦說法，索恩的前女友嫁給了韋伯，索恩要在引力波探測方面壓過情敵。

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

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目探測器建造專家。他在牛津大學(xué)出差時聽了韋伯的學(xué)術(shù)報告，感覺自己能比韋伯做得更好。他建造了兩個韋伯棒，最終什么也沒探測到。圖源：wikicommons

索恩、韋斯開始努力尋求資助?？墒?，韋伯把引力波探測這個領(lǐng)域的名聲搞臭了。索恩四處活動，訴說著這個領(lǐng)域的前景，他說：“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力?！?/p>

索恩的工作沒有白費，激光干涉儀探測引力波項目，后來命名為LIGO（激光干涉引力波天文臺，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory），獲得了美國國家科學(xué)基金會的資助。項目由索恩、德雷弗、韋斯三人委員會負責(zé)管理。

項目第一步，在加州理工校園內(nèi)建設(shè)一個更大的激光干涉儀原型機。這座原型機臂長40米，選擇40米長，并不是出于科學(xué)上的考慮。德雷弗想做得更長一些，可是被一棵樹給擋住了，學(xué)校不讓砍樹。

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缺點，每天能冒出好多點子，德雷弗想把每個想法都試一試，這又嚴(yán)重阻礙了進度。德雷弗的工作風(fēng)格讓他與注重嚴(yán)謹?shù)捻f斯發(fā)生嚴(yán)重矛盾。

1987年，美國國家科學(xué)基金會（NSF）要求改變項目管理方式，停止“三巨頭”模式，要任命一個說了算的“老板”。加州理工學(xué)院的羅克斯·沃格特（Rochus Vogt）走馬上任項目主管。沃格特在領(lǐng)導(dǎo)大型科研項目方面有著光輝的記錄，這次也不負眾望，非常有領(lǐng)導(dǎo)能力和決斷能力，對技術(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，大項目科研紀(jì)律要嚴(yán)，項目進度要按計劃推進。二人相處并不融洽。

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

1990年，LIGO建設(shè)計劃書擺上了NSF的案頭。計劃書得到評審專家一致好評，只是預(yù)算太高了，2.11億美元，是NSF當(dāng)時史上預(yù)算最大的項目，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，為一個前景不明的項目犧牲很多技術(shù)方案成熟的項目，值得嗎？這么多錢不如多建幾座望遠鏡。有天文學(xué)家還說，這份申請書要建設(shè)的東西根本不能叫天文臺，那只是個激光物理實驗，他們從來沒探測到過什么，他們也不知道探測天空哪一部分。

一貫反對大項目的凝聚態(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）反問道：“要不是愛因斯坦的名聲在撐著，NSF會投上哪怕一分錢嗎？”

還有意見認為，有限的政府資金應(yīng)該花在那些低投入高回報的科研項目上。

LIGO項目的支持者不僅要說服各學(xué)科的質(zhì)疑者，還要說服國會議員，因為這么大額的撥款需要國會批準(zhǔn)。沃格特專門請了一位教練，培訓(xùn)自己游說議員的技巧。沃格特的培訓(xùn)沒有白費，在國會進行了成功的游說。有位議員被沃格特講述的宇宙故事吸引了，推掉了兩個原定的日程安排，成為LIGO的鐵桿支持者。沃格特游走了國會兩年，終于讓國會批準(zhǔn)了撥款。

這是1992年。

前景大好之時，LIGO內(nèi)部又出問題。德雷弗與沃格特的矛盾公開爆發(fā)。與德雷弗合作糟心的人，忍受不了沃格特強硬管理方式的人，也都站出來訴說委屈。局面簡直無法收拾。

最終，德雷弗在1992年被沃格特趕出LIGO團隊。但沃格特與國家科學(xué)基金會又產(chǎn)生沖突。1994年，國家科學(xué)基金會免去沃格特職務(wù)。二人都得到一個悲劇性結(jié)局。

1994年，LIGO團隊迎來新的項目主管巴里·克拉克·巴里什（Barry Clark Barish）。巴里什之前在超級超導(dǎo)對撞機（SSC）項目任職，這個已經(jīng)耗資20億美元的大項目在1993年被國會取消，巴里什此時正好賦閑。

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

LIGO團隊大部分科學(xué)家是獨立自主的小課題組負責(zé)人，沒有大項目工作經(jīng)歷，不習(xí)慣于嚴(yán)格的進度安排，不僅要考慮科學(xué)問題，還要根據(jù)財政預(yù)算和工程現(xiàn)實問題妥協(xié)。在巴里什領(lǐng)導(dǎo)下，LIGO團隊逐漸完成了這一文化轉(zhuǎn)變。

巴里什還要解決諸多外部問題。

巴里什上任后，與國家科學(xué)基金會溝通，不僅要落實預(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項目需要興建兩座近乎完全一樣的天文臺，理由與韋伯需要建兩個韋伯棒類似，為了排除干擾信號，找到真正的引力波信號。兩座天文臺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兩座天文臺在美國的位置。

利文斯頓當(dāng)?shù)貥O端宗教團體聽說，這里要修建的天文臺將接收10億年前的宇宙信號，極力表示反對，因為這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，解決了問題。

1994年和1995年，兩座天文臺破土動工，1999年竣工。

之后，有極端分子槍擊利文斯頓天文臺建筑。美國FBI建議天文臺周圍建設(shè)高墻，巴里什沒有同意，而是與當(dāng)?shù)蒯鳙C俱樂部的頭面人物共進午餐，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。天文臺一位熱心科普的科學(xué)家制作了一臺演示儀，在當(dāng)?shù)貙W(xué)校向?qū)W生公眾演示了兩條幾千米長的管道到底是干什么的。活動非常成功，引起孩子們極大興趣，打消了公眾的顧慮。

2002年正式進行第一次探測引力波，2010年結(jié)束搜集數(shù)據(jù)。這一代的探測器的目的是進行技術(shù)驗證，沒指望探測到引力波，也確實沒有探測到引力波。

2008年，開始研制升級版LIGO零部件。2011年LIGO升級工程開始，2014年完成。

現(xiàn)在的LIGO團隊有1200人，來自16個國家。所有人都勤奮工作，希望升級版LIGO早日能夠運行。大家都把目光投向一個最后期限——愛因斯坦引力波論文發(fā)表100周年紀(jì)念日。

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轟動

2015年9月14日，LIGO兩座天文臺還在處于測試階段。午夜時分，工作人員都下班回去休息了，探測器靜靜地開著機。凌晨時分，漢福德和利文斯頓的探測器記錄下一個一模一樣脈沖信號，前后僅相差10毫米。

漢福德天文臺負責(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)在討論凌晨自動記錄下的一個脈沖，有人樂觀地認為這是引力波信號。蘭德里認為這是盲注測試信號。盲注測試為故意在數(shù)據(jù)流中悄悄地注入一個虛假信號，目的是檢測觀測設(shè)施準(zhǔn)備情況以及處理真實信號的能力。蘭德里心中抱怨盲注小組擅自行動。

上午8點半，漢福德天文臺例會上，蘭德里問盲注小組，盲注測試已經(jīng)開始做了嗎。盲注小組成員回答還沒有。蘭德里追問，確定沒有嗎。盲注小區(qū)回答，確定沒有。

蘭德里想起凌晨的脈沖信號，心里不平靜了。

上午9點，LIGO國際合作組線上會議上，大家熱議凌晨的脈沖信號，普遍認為是盲注測試。蘭德里發(fā)言：這個異常信號不是盲注測試。大家都很震驚。

這個異常信號的分析工作馬上展開了。

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

發(fā)生碰撞的這一對黑洞，一個質(zhì)量是太陽的29倍，另一個是太陽的36倍。在碰撞之前，兩個黑洞相互繞對方運行，它們運行的最后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，來到了地球。經(jīng)過了LIGO的兩座天文臺，使干涉臂的長度發(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到的引力波。

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

第一次成功的引力波探測，趕在了愛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，美國為第一次直接探測到引力波舉行新聞發(fā)布會，正值中國春節(jié)假期，當(dāng)時的轟動效應(yīng)，許多人還記憶猶新。

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

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

2017年諾貝爾物理學(xué)獎得主，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

2015年9月14日，開啟了天文學(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)家的對于天體的觀測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程中也會受到其他系統(tǒng)的阻礙。還有天體的物質(zhì)不參與電磁相互作用，除了通過引力作用外可能并沒有能探測到它們的手段。

現(xiàn)在，人類即將掌握直接探測引力波的能力，將可以將它作為天體觀測新手段。相對于電磁波和粒子而言，引力波在時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對于那時產(chǎn)生的引力波造成太大的影響。如果這些引力波能被探測到的話，那么它們將提供一個觀測宇宙產(chǎn)生之初的圖景的一個視角。

引力波天文學(xué)通常被描述為“傾聽”宇宙。當(dāng)然，引力波與聲音無關(guān)，盡管如此，這仍然是一個強有力和有價值的比喻。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，請再次聽一下LIGO記錄的第一個引力波。

參考資料：

1.追蹤引力波：尋找時空的漣漪，圖靈新知·人民郵電出版社

2.愛因斯坦的未完成交響曲，湖南科技出版社

3.時空的秘密，中信出版社

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

BOOK TIME

《黑洞與時間彎曲》

[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。

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