文/NICOLA TWILLEY

　　备受瞩目的引力波发现研究已经在国内各大媒体得到了广泛的报道，但这个涉及到科学技术、历史、科学家，甚至谬误与运气的丰富故事，以及里面的戏剧性细节，这次还是第一次和大家见面。来，和我们一起，听一听这个有趣的故事的完整版。

　　“天哪，这是个什么东西?”

　　十几亿年前，距离这里有数百万个河外星系之外，两个黑洞发生了碰撞。它们彼此围绕旋转了亿万年，好像是求爱的舞蹈，每一圈后都在加速，呼啸着靠近对方。到了它们间距只有几百英里的时候，它们几乎以光速旋转，释放出强大的引力能量。时间和空间被扭曲，像是壶里面煮沸的水一样。在不到1秒钟的分毫瞬间里，两个黑洞终于合并为一，它们辐射出比全宇宙的恒星辐射还多几百倍的能量。它们生成了一个新的黑洞，质量约62个我们的太阳一般，面积几乎和缅因州一样。在它(新黑洞)平静下来的过程中，逐渐形成一个扁平的球状，最后的几缕颤抖的能量逃离出去。然后时间和空间再次寂静了。

　　黑洞碰撞产生的引力波向四周传播，旅途中随着距离衰减。在地球上，恐龙崛起，演化，消亡。引力波继续前进，大概五万年前，引力波到达了我们的银河系，这时正当智人开始取代其近亲尼安德特人开始成为地球上最主要的人猿。

　　100年前，爱因斯坦，灵长类物种中进化得最先进的人类的一员，预言了引力波的存在，激发了数十年的猜测和无果的寻找。20年前，一个巨大的激光干涉引力波天文台(以下简称LIGO)开始建设。终于，在2015年9月14日，在中午11点(欧洲中部时间)前，引力波到达了地球。

　　马可龙，一位32岁的意大利籍博士后学生，全球LIGO科学合作组织的成员，成为第一个注意到它们的人。马可龙当时坐在位于德国汉诺威阿尔伯特 ·爱因斯坦研究所他自己的电脑前，远程观看LIGO的数据。引力波出现在他的屏幕上，就像一个被压缩了的曲线，不过LIGO装置着全宇宙最精致的耳朵，可以听到千亿分之一英尺的振动，应该仿佛听到了被天文学家称为“蛐蛐叫”的声音 —— 一声微弱的由低到高的呼叫。一年之后，在美国的新闻发布会上，LIGO团队正式宣布那个信号即为历史上第一个直接观测到的引力波。

　　当马可龙看到信号时，他惊呆了。“当时很难决定该做什么”，他后来告诉我。他通知了一个同事，同事冷静地通知了位于路易斯安那州的LIGO控制中心。消息开始在上千个参与这个项目的科学家中传播开来。

　　在加利福尼亚州，LIGO实验室的执行总监大卫·瑞兹刚送走了女儿去学校，来到他的加州理工办公室，马上就被各种消息淹没了。

　　“我不记得当时具体说了什么了”，他告诉我说。“大致的反应是，‘天哪，这是个什么东西?’”。西北大学的物理与天文学教授维琪·卡洛格拉当时开了一天的会，直到晚餐时才听到消息。“我老公请我把餐桌布置好”，她说，“可是我完全不理他，只顾着浏览一大堆古怪的电子邮件并自问，到底发生了什么事?”雷纳·韦斯，已经83岁高龄的物理学家，是早在1972年LIGO项目的最初提出者，当时正在缅因州度假。他登录到系统上，看到了信号，然后大叫道：“我的上帝啊!”音量如此之大，惊得他的妻子和成年儿子跑过来看他。

　　合作研究人员立即开始了非常细致繁重的两遍，三遍，四遍的数据确认。“我们说我们做了约质子直径千分之一大小的尺度的测量，向我们讲述着两个黑洞在10亿年前的合并”，大卫·瑞兹说道。“这可是一个非同寻常的宣布，需要非同寻常的证据支撑。”与此同时，LIGO科学家们被要求宣誓保守秘密。随着这一发现的传言散布开来，从9月份末持续到最近一个星期，媒体的激动进入了尖峰状态，也开始有关于诺贝尔奖的议论。不过所有的合作者给外界任何询问这件事的任何人一个统一的简单的答复——他们仍然在分析数据，还没到发表结果的时候。维琪·卡洛格拉甚至连自己的丈夫都没告诉。

100年前，爱因斯坦，灵长类物种中进化的最先进的人类的一员，预言了引力波的存在，激发了数十年的猜测和无果的寻找

　　“人类对宇宙的观测又一新篇章被翻开了”

　　LIGO是更广泛地找寻爱因斯坦广义相对论难以测量的效应的工作的一部分。这一理论，简单地说，声称时间和空间会在质量面前被弯曲，时空弯曲的效应就是我们日常感受的引力。当两个黑洞彼此围绕，它们把周围的时空伸展和压缩，就像孩子们在蹦床上跑来跑去，生成可以传播到周边的振动;这些振动就是引力波。

　　引力波经常路过我们身边，来自宇宙中各种源头，但是引力是比所有其他基本自然作用中更微弱的——电磁作用，比方说，也就是束缚原子的作用——以至于我们几乎从来感觉不到它们。爱因斯坦曾认为引力波可能永远都不会被探测到。他甚至两次宣布引力波不存在，然后一次再一次地修正他自己的预测。当时一个怀疑者曾经评论说引力波好像是靠着“思维的速度在传递”。

　　从理论提出开始，过了50年才有人开始建造可以检测引力波的设备。第一个尝试这么做的人是一位马里兰大学的工程学教授，名叫乔·韦伯。他把自己的设备命名为“谐振条天线”。韦伯相信铝制的圆柱体可以被当作铃铛，放大微弱的引力波。当引力波撞到圆柱体，圆柱体会轻微地振动，圆柱周围的传感器会把这种振动转化为电信号。为了确保他测量到的不是周围经过的卡车或者轻微地震的振动，韦伯发明了一些保护措施：他将他的条悬置在真空中，他使用了两个谐振条，位于不同的地点，一个在马里兰大学的校园，另一个在芝加哥附近的美国阿贡国家实验室。如果两个谐振条在微小时间间隔中产生同样的振动，他认为就可能是引力波造成的。

　　1969年6月，韦伯宣布了他的谐振条记录了引力波事件。物理学家和媒体都很激动，《纽约时报》这样报道：“人类对宇宙的观测又一新篇章被翻开了。”很快，韦伯开始报道每日都有信号记录。 不过其他的实验室都没有产生与他的结果类似的观察，对他的怀疑开始扩散。到了1974年，很多人都下结论说韦伯的结果有错误。(韦伯持续宣称有新的探测结果，直到他2000年去世为止。)

　　韦伯的故事塑造了他开扩的领域的形象，产生了一个有毒害的印象，即引力波的寻找者们，后来引用维斯博士的话，“都是说谎者，没有谨慎态度，甚至天知道还有什么恶习”。这个印象在2014年还得到一次强化，在南极附近的BICEP2望远镜发现了好像是大爆炸遗留的引力辐射;虽然信号是探测到一个，但是后来发现原来是宇宙尘埃，不是引力波。韦伯身后也留下一批无法复制韦伯生成的结果的研究人员。维斯博士，因为在自己的麻省理工本科课程中被无法解释韦伯的工作烦恼，开始设计后来的LIGO的原型思想。“我不能理解韦伯想干什么”，他在后来的2000年加州理工编辑的口头历史中回顾到，“我不认为那个想法是正确的。于是我自己开始去找答案。”

激光干涉引力波天文台

天文学家称为“蛐蛐叫”的声音 —— 一声微弱的由低到高的呼叫

激光干涉引力波天文台工作人员

　　“很多的工作是在电话中完成的”

　　在寻找引力波的过程中，“很多的工作是在电话中完成的”，LIGO的华盛顿州设施的负责人弗莱德拉布告诉我。每个星期都有讨论数据的例会，每两个星期都有讨论两个探测器协调工作的例会，会有来自澳大利亚、印度、德国、英国还有其它地区的合作者参与。“当这些人在午夜从梦中醒来，他们通常是在梦着有关探测器的事”，拉布说道。“这反映了他们和这项工作有多亲密。”

　　“这反映了他们和这项工作有多亲密”，他解释说，这样才能把这些非常复杂的由维斯博士最初构思出来的设备运行好。

　　维斯博士的探测方法和Weber有着极大的不同。他最初洞见是需要把探测系统做成L形。想象两个人躺在地上，他们的头挨着，身体形成90度角。当引力波通过他们时，其中一个人会被拉长，另一个人会被缩短;下一时刻，相反的情况会发生。当引力波朝着一个方向拉伸时空，一定会在另一方向压缩时空。维斯博士的设备会丈量这两个波动的长度，在非常大的尺度上来测量，使用数英里长的钢管道。“我不会就在我的桌子上检测到任何东西。”维斯博士说道。

　　为了达到必要的测量精度，维斯博士建议使用光来作为尺子。他设想在L形的拐弯处放置激光源。激光源会向两个管子的尾部发射两束激光，在各自尾部会放置一个镜子来反射激光。光在真空中的速度是常数，所以当两个管子都去除了空气和其他粒子后光束应该同时在拐弯处重逢，除非引力波通过这个结构。在这种情况下，光源和镜子间的距离会有小的变化。既然一束光现在会旅行比它孪生伙伴更短的距离，它们不再会在相位上保持一致，差距越大，表明引力波越强。这种设备需要比任何以往的物理设备敏感几千倍，还需要细微的调试来提取一个不断变弱的微小信号，在地球上充满无处不在噪声的大背景下做这件事。

　　维斯博士在1972年春天把他的设计写了出来，作为他的实验室的季度报告。这篇文章从未在科学期刊发表——毕竟这只是个设想，不是实际的实验，但是参与过《星际穿越》电影创作的著名的加州理工退休物理教授基普·索恩认为，这篇文章“是历史上最优秀的一篇论文”。基普·索恩记得是后来才看到维斯博士这篇文章，“如果我早早读这篇文章，我不会完全理解它。”果然，基普·索恩的1973年初版里程碑式的关于引力的教材中，他还在学生练习中请学生证明通过激光验证引力波存在性的不现实性，“不过我很快就改变了自己的看法”，他后来告诉我。

　　基普·索恩的态度改变发生在1975年，在美国的一间酒店房间里。维斯博士邀请他来与一组NASA科学家对话。那个会议的前夜，两个人一起讨论，“我不记得当时怎么发生的，但是我们分享了一个酒店套房”，维斯博士说。他们坐在一个小桌子边，在草纸上写满了图形和方程。“这个世界上没有多少人可以像我们两个这样交流，因为我们都在这个问题上思考了很多年”，维斯博士回忆道。当基普·索恩回到他的卧室时，天已经开始发亮了。

　　在麻省理工，维斯博士已经开始组装一个小的原型，每个探测臂有5尺长。但是他在从系里的管理者那里争取资助上遇到了困难，因为许多他的同事还对这个设想持有怀疑态度。其中一个怀疑者，一个著名的天地物理学家和相对论专家， 詹妮弗·莫里森，持有非常坚定的意见认为黑洞不存在——这一看法当时很多同时代的人都持有，因为支持黑洞的数据太少了。既然黑洞是理论上仅有的少数可以产生可观测到的引力波的源头，詹妮弗·莫里森认为维斯博士的设备没有可以发现的东西。

　　1990年，经过了多年的研究、报告、讲演、委员会会议，维斯博士说服了NSF(国家自然科学基金)来资助LIGO的建设。这个项目将要花费2.72亿美元，比任何NSF之前和以后支持的实验都多。在1994年，探测器建设正式破土动工。

　　“它在冲我们发出波动，跟我们说你好”

　　2015年9月13日是个星期天，埃弗勒在华盛顿州的设施和另一位同事整整忙了一天，完成一系列的最后测试工作。“我们大喊大叫，我们摇晃东西，敲打东西，引入磁铁干扰，做了各种事情”，她回忆说。“不出所料，每件事都花费了比预期更多的时间。”终于在凌晨4点，只剩下一个测试要做——模拟附近的卡车司机踩刹车，他们终于决定收工。他们开车回家了，只留下设备静静地采集数据。引力波信号没等多久就到了，在凌晨4点50分，当地时间，相差只有7微秒分别通过了两个探测器。距离高级LIGO的正式启动还有四天时间。

　　引力波被如此早地探测到引来了很多迷惑和质疑。哥伦比亚大学的天体物理教授珍娜·莱文，没有参加LIGO合作研究，也感到非常吃惊。“当传言开始时，我的反应是：别逗了!”她说，“他们连锁才刚上好!”。再说这个信号实在是太完美了。“我们绝大多数人认为，当我们看到这个信号时，它将是从非常多的计算机和计算周期后中拉出来的信号，”维斯博士认为。大多数人认为这个信号是某种测试。

　　LIGO团队包括一小组人员，专门制造隐藏的信号注入——虚假的引力波证据，作为对科学家工作的监督。尽管每个人都认识这个四人小组的成员，“我们都不知道是什么样的信号，在何时，以及是否被注入”，冈萨雷斯， 合作研究的发言人说。LIGO在最早的2010年的运行中，探测器检测到了好像是很强的信号。科学家们紧张地分析了六个月，最后认为是来自河外星系的引力波。就在他们想把发现投到科技期刊之前，他们被告知这个信号是被注入的假信号。

　　这一次，隐藏信号小组发誓他们和这个信号没有任何关系。Marco Drago认为他们的否认可能是测试的一部分，不过Reitze自己，作为四人小组的成员，有另外的担心。“我的担忧是，你可以理解为这是我们对做出任何虚假发现的本能畏惧——有没有其他的人恶意地在捣乱?”他说，“会不会是其他人在我们的探测器里伪造了一个信号，我们没有人知晓?”雷茨、维斯博士、冈萨雷斯还有其他几个人考虑了谁还出于对设备和系统算法的全面了解有可能制造这个假信号。他们只找到4个人选，其中没有一个人有任何动机去这样做。“我们深入盘问了这些人，”维斯博士说，“结论是，他们没有做这件事。”最后，他说，“我们接受了最经济直接的解释：这是一对黑洞造成的。”

　　9月14号的发现，现在正式命名为GW50914，已经附带来好几个非常重要的天体物理发现。举例说，它是第一个观测证据说明双黑洞的存在。直到现在，这只是理论上的可能性，因为黑洞吞噬所有周围的光，让传统望远镜无法观测到。引力波是唯一可以逃出黑洞的压倒性的引力场的信息。

　　LIGO科学家已经从这个信号中提取出令人惊讶的信息，包括源头的黑洞的质量，轨道速度，它们边界接触的时刻。它们比想象的质量大很多，这个惊讶的发现，如果被以后的进一步观测印证，将会帮助解释各个银河中心的神秘的超级体量黑洞是如何形成的。

　　“一定会有更大的惊喜等待着我们”

　　几乎所有科学家得到的关于宇宙的知识都是来自电磁光谱类实验。400年前，伽利略用他自制的望远镜开始探索可见光的世界。从那时开始，天文学家们把观测设备的能力不断提升。他们学会了观测无线电波段和微波段，红外波段和紫外波段，X射线，伽马射线，揭示了船底座星云中恒星的诞生，土星第八个卫星上面喷泉的喷射，找到了银河系的中心位置，探测到了类似地球的行星的位置。但是95%的宇宙是无法用传统的天文学手段观测到的。引力波可能还无法探测了解所谓的占据了大部分不可见宇宙的暗能量，但是它们可以帮助我们用前所未有的方式去巡查时空。

　　碰巧的是，LIGO可以检测到的引力波波段的频率落在了人类可以听得到的频段，在35～250赫兹之间。当这个“唧唧叫”到达地球的时候，已经变得很轻很轻，LIGO只能够采集到不到十分之二秒的黑洞数十亿年前的并合，不过通过一些简单的声音处理，这个事件听上去像一个滑音。“用你的手指背面的指甲尖，在钢琴键盘上从最低音A滑动到中音C，你就可以听到这个信号。”维斯博士说。

　　不同的天体会发出它们自己特有的引力波，意味着LIGO和它后面的系统将会听到一个宇宙交响乐。“双中子星听上去像短笛，” 维斯博士说。隔离的旋转的脉冲星，他说，可能会发出一个单音调的“叮”，像三脚铁的声音，黑洞则是乐队中的弦乐，从双低音向上，取决于它们的质量。LIGO，他说，将只能听到小提琴和中提琴;由超级巨型黑洞发出的引力波，比如位于银河系中心的黑洞，需要等待未来拥有不同敏感度的探测器。

　　高级LIGO的首批观测任务到了1月12日就结束了。任务团队成员已经开始了又一轮的改善升级。探测器已经要接近它最大的设计精度了;两到三年内，它可能会每天都记录引力波事件，在这过程中采集更多的数据。下半年夏天末尾时系统会再次上线，倾听更多的来自天外的我们还未想象到的音乐。

　　“我们在开启一个面向宇宙的新窗户，这个窗户和以往所有的窗户都非常不同，我们对什么东西会通过这个窗户进来也很无知，” 索恩说道，“一定会有更大的惊喜等待着我们。”

　　(本文翻译自《纽约客》，经“机器之心”微信公众号授权转载)