《纽约客》："发现引力波"背后最完整的内幕故事

一

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。在不到一秒钟的分毫瞬间里，两个黑洞终于合并为一，它们辐射出比全宇宙的恒星辐射出还多几百倍的能量。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。

100年前，爱因斯坦预言了在时间空间中传播的涟漪－引力波。

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，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。20年前，一个巨大的探测器开始建设：the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)。终于，在2015年的9月14号，在中午11点（中欧时间）前，引力波到达了地球。Marco Drago，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。Marco当时坐在位于德国Hannover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，在华府的新闻发布会上，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Drago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Livingston，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。在加州，David Reitze，LIGO实验室的执行总监，刚送走了女儿去学校，来到了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’』”。Vicky Kalogera，西北大学的物理与天文学教授，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？”Rainer Weiss，已经83岁高龄物理学家，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，”Reitze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。Kalogera甚至连自己的丈夫都没告诉。

二

LIGO由两个设施组成，相隔1900英里——大约坐飞机需要3个半小时，不过对于引力波只需要万分之一秒就能到达。位于路易斯安那的探测器，位于Baton Rouge东部的湿地，周围环绕着商业松树林；另一个位于华盛顿州的探测器，在全美核废料数量最多的核设施的西南部，位于沙漠灌木蒿，风滚草，和废弃的核反应堆之间。在每一处设施，都有两个12英尺高的互成直角的混凝土管道伸向远方，从高空看上去像是木工的矩一样。管道是如此之长，将近2.5英里，他们需要在尾端从地面升起近1码，来确保管道自身的直线性，与地球表面自身的弯曲分离。

LIGO是更广泛的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——以致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，然后一次再一次的修正他自己的预测。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Joe Weber。他把自己的设备命名为“谐振条天线”。Weber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，圆柱体会轻微的振动，圆珠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，Weber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Argonne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，他认为就是可能是引力波造成的。

1969年6月份，Weber 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，Weber 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Weber的结果有错误。（Weber持续宣称有新的探测结果，直到他2000年去世为止。）

Weber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Weiss 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，当在南极附近的BICEP2望远镜上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。Weber身后也留下一批无法复制Weber生成的结果的研究人员。Weiss，因为在自己的的麻省理工本科课程中被无法解释Weber 的工作烦恼，开始设计后来的LIGO的原型思想。“我不能理解Weber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。”

三

在寻找引力波的过程中，“很多的工作是在电话中完成的”，Fred Raab，LIGO的华盛顿州设施的负责人告诉我。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，”Raab说道。“这反映着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Weiss最初构思出来的设备运行好。

Weiss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型。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。Weiss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。”Weiss 说道。

为了达到必要的测量精度，Weiss建议使用光来作为尺子。他设想在L形状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音的大背景下做这件事。

Weiss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——但是据Kip Thorne，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，这篇文章“是历史上最优秀的一篇论文”。Thorne记得是后来才看到Weiss这篇文章，“如果我早早读这篇文章，我不会完全理解它。”果然，Thorne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。

Thorne 的态度改变发生在1975年，在华府的一间酒店房间里。Weiss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，” Weiss说。他们坐在一个小桌子边，在草纸上写满了图形和方程。Thorne，在摩门教家庭长大，喝着Dr Pepper；Weiss则抽着烟斗，“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，” Weiss回忆道。当Thorne 回到他的卧室时，天已经开始发亮了。

在麻省理工，Weiss 已经开始组装一个小的原型，每个探测臂有五尺长。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。其中一个怀疑者，一个著名的天地物理学家和相对论专家， Phillip Morrison，持有非常坚定的意见认为黑洞不存在——这一看法当时有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，Morrison 认为Weiss 的设备没有可以发现的东西。Thorne 在加州理工进展更顺利些：到了1981年，在加州理工已经开始建造一个探测臂有130英尺长的原型。一个苏格兰裔物理学家Ronald Drever负责原型的建造，并在建造过程中不断改进Weiss 的设计。

1990年，经过了多年的研究，报告，讲演，委员会会议。Weiss，Thorne还有Drever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。“这导致了一场激烈争斗，”Weiss 说。“天文学家非常反对这个项目，因为他们觉得这是有史以来最大的金钱浪费。”许多科学家都担心LIGO会吸走别的研究的经费。Rich Issacson，当时一个NSF的项目官员，起到了关键作用，帮助项目启动。“他和NSF一直支持我们，为此冒了很大的风险。”Weiss回忆道。

“这个东西根本就不合适被建造，”Issacson后来回忆道，“当时只有几个头脑发热的人到处游说，在没有任何信号发现的前提下，讨论把真空技术、激光技术、材料科学技术、地震隔离技术还有反馈系统推到高于当时技术几个数量级的水平，甚至需要使用还没有被发明出来的材料。”但是Issacson的博士论文就是关于引力辐射，他坚信LIGO的理论基础是严谨的。“所以我其实是引力波领域在NSF安插的内线。”他开玩笑说。

在他们的项目申请中，LIGO团队警告说他们最初的设计可能什么都探测不到。不过，他们争辩说，只有通过建造一个不完美的探测器才能学习理解如何建造一个更好的探测器。“有足够的理由相信这个计划不会探测到结果，”Issacson说。他说服了NSF就算第一阶段检测不到信号，在这构成中带来的测量精度的进步也值得投资。在1994年，探测器建设正式破土动工。

四

经过两年，终于造出了历史上最敏感的设备，而且对除了引力波外的任何其他东西都不敏感。光抽真空就需要40天。结果是造出了地球上最纯净的真空环境，只有大气海平面浓度的万亿分之一。不过，有些干涉几乎超出了想象力——本地陆地上的风声，或者临海的海风；供电系统的波动带来的激光纯度的波动；甚至镜子中原子的不稳定；遥远的雷电。所有这些都会被误认为是引力波，每一个干涉都需要被排除和控制住。拿一个LIGO子系统做例子，它可以应对微小的地质抖动，启动减震功能，用相反的力作用在反射镜上来抵消，保持镜子的稳定；再举个例子，另一个系统会检测所有有干扰的声音，包括经过的汽车，飞机，甚至野外的狼嚎。

“这里还有上万个小的细节需要考虑，我真的指上万个，”Weiss 说道，“每一个细节都要被完善来确保没有任何的东西会干扰信号。”当他的同事们调试系统的内部组件时，他们需要搭建可移动的消毒室，清洁他们的工具，穿上被他们称为“兔子装”的全身工作服——来防止皮肤上的细胞或者粉尘粒子落到精密的光学设备上。

第一个迭代的探测器在2001年上线。下面的九年中，科学家们测量并改进设备的性能，完善他们的数据分析算法。同时，他们使用在加州理工和德国的原型来开发更好的反光镜、激光、地震隔离技术。2010年，探测器下线，开始了为期5年，耗资2亿美元的升级。系统目前的隔离如此之好以至于一个部门经理在控制室隔壁发动了他的哈雷摩托，引力波频道的科学家在自己的屏幕上什么都不会看到。探测系统的第二次迭代，高级LIGO系统，可以最终探测比上一代大一千倍的空间区域。

一些最困难的工作发生在镜子上。根据Reitze，这些是世界上最好的镜子，远远超出任何的同类。每一面镜子都有一尺宽，重90磅，被磨成精度到一亿分之一英尺的完美的球面镜。（一面镜子的造价约100万美元。）开始时，镜子们被悬在一圈钢线上。升级后，它们被连接在一个钟摆系统上，来隔离地质抖动的影响。连接它们的是溶化硅纤维——基本成分就是玻璃——足够强壮来承受镜子的重量，但是很容易破碎。“我们出过一次事故，一个螺丝刀掉下来，刮到了硅纤维，结果整个镜子都掉了下来。” Anamaria Effler，一个过去在那里工作过的运转专业技术人员告诉我。纤维的优点是它的纯度，根据格拉斯哥大学的Jim Hough的说法，“当你弹一下威士忌杯子，它会发出漂亮的振动声；溶化的硅比威士忌杯子还好，更像是拨动小提琴的琴弦。”音符是如此的薄可以用LIGO的信号处理软件把它过滤掉，又一个干扰排除了。

技术人员在检查LIGO的光学器件。

LIGO的光学设备装在四部分的摆锤上，以避免振动。

机器正在加热和拉伸支持LIGO镜子的硅纤维。

技术人员在安装管道挡板，以控制杂散光。

LIGO汉福德控制室。

准备高级LIGO的工作比想象的进展得慢，所以更新的改进的设备的投入使用时间被推迟了几天，到2015年9月18日。Weiss被从波士顿叫来确定一个频率干涉的源头。“我到了那里，被吓坏了，”他说，“这个干涉到处都是。”他建议进行一个星期的修理来处理，但是项目的总负责人拒绝了这一延误，不想再耽误一天的观测时间。“感谢上帝他们没有让我那么干，”Weiss 回忆，“我会导致整个系统在信号出现时下线！”

五

9月13号是个星期天，Effler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，只留下设备静静的采集数据。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。

引力波被如此早的探测到引来了很多迷惑和质疑。“我告诉所有人我们直到2017年或2018年才会探测到任何东西，”Reitze说。 Janna Levin，哥伦比亚大学的天体物理教授，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从噪音中拉出来的信号，”Weiss说。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，“我们都不知道什么样的信号，在何时，以及是否被注入，”Gabriela Gonzalez， 合作研究的发言人说。当LIGO的最早的2010年的运行中，探测器检测到了好像是很强的信号。科学家们紧张的分析了六个月，最后认为是来自河外星系Canis Major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的在捣乱？”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？”Reitze，Weiss，Gonzalez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，”Weiss 说，“结论是，他们没有做这件事。”最后，他说，“我们接受了最简洁直接的解释：这是一对黑洞造成的。”

LIGO合作研究机构的每一个分部门开始确认这一探测的有效性。他们检查每一件设备是怎么设定和校准的，每一行软件代码都分析，编辑了一个单子列出所有可能的环境干扰，从大气电离层的振荡到太平洋沿岸的地震。（“当时有一个很强大的发生在非洲的闪电，”Stan Whitcomb，LIGO首席科学家告诉我，“不过后来磁场测量仪显示它没有足够的干扰可以产生这个信号。”）最后，他们确认了这个探测结果满足统计学的5西格玛门槛，这是宣布任何物理学发现的黄金标准。换句话说，这意味着这个探测结果只有3百50万分之一的概率是由随机事件造成的。

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对的存在。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，这个惊讶地发现，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。研究团队还量化了黑洞的ringdown——三个能量脉冲在最终的合并后的新的更大的黑洞在球形化过程中释放出来——也就是说黑洞在合并后把自身的不完美部分通过引力波辐射出来。

这次检测还证实了爱因斯坦关于这个物理宇宙的另一个特性的想法。尽管他的理论主要是关于引力，以前理论主要是在我们自己的太阳系进行检验，在这里引力的主导效应比较弱。“你仅在你爬楼梯的时候才会想起地球的引力，”Weiss 说，“但是，对于物理学来说，引力的效应相比之下只是个小角色，非常微弱，没有什么影响。”在黑洞附近就不同了，引力在那里是宇宙中最强的作用力，可以把原子撕碎。这些爱因斯坦在1916曾预言过，LIGO的实验结果显示爱因斯坦的方程和实际观测几乎是完美的一致。“他究竟怎么能知道这点？”Weiss 问道。“我多么希望在那个早晨可以把数据拿给他看，看看他脸上的反应。”

自从9月14号的发现，LIGO继续观察到可以作为引力波候选的信号，尽管这些信号没有第一个信号那样具有戏剧性。“我们一开始这样折腾都是因为开始这个大信号，”Weiss 说道。“不过，我们非常高兴还有别的，强度小一些的信号，说明我们最开始的发现不是单一的、疯狂的、神经质的事件。”

六

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。“这是一种全新的望远镜技术，”Reitze说道。“意味着我们有了一个新的天文学领域要去探索。”如果我们过去见证到的是一个无声电影，Levin说，引力波现在把我们的宇宙转变成了一个有声屏幕。

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合并，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。”

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，” Reitze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，取决于他们的质量。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。

好几个这样的探测器已经在筹备中了，有些已经开始建设了，包括爱因斯坦望远镜，一个欧洲的项目，它的地下的探测臂将比LIGO两倍还要长，还有一个基于太空的三个设备组成的集群，叫做eLISA。(欧洲航天局，在NASA的协助下，已经在12月份发射了实验卫星，验证LISA的新技术。）其他的探测器已经开始运转，包括前面提到的BICEP2望远镜，虽然它最初发现的是假信号，仍然可能发现宇宙早期的引力波的回声。Reitze 的希望是，LIGO的发现将会鼓励更多的对这一领域的投资。

高级LIGO的首批观测任务到了1月12号就结束了。Effler和其他的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，” Thorne说道，“一定会有更大的惊喜等待着我们。”

(本文由“机器之心”编译自《纽约客》，澎湃新闻经授权转载)