苗千

理想與現(xiàn)實(shí)的距離究竟有多遠(yuǎn)？人類從奠定引力波理論的基礎(chǔ)，到認(rèn)識(shí)引力波的存在，到開(kāi)始探測(cè)，直至最終發(fā)現(xiàn)的故事告訴我們，這其間相隔了100年的時(shí)間。

距離1915年發(fā)表廣義相對(duì)論20多年之后，直到20世紀(jì)30年代，愛(ài)因斯坦才開(kāi)始相信可以由廣義相對(duì)論推導(dǎo)出一個(gè)令他自己都感到吃驚的結(jié)論：宇宙本身在顫抖，這種顫抖具有能量，并且以波的形式在時(shí)空中傳播。盡管如此，在當(dāng)時(shí)探索引力波，乃至研究宇宙的結(jié)構(gòu)和起源，都還不算是一個(gè)嚴(yán)肅的物理學(xué)話題，這種理論如同屠龍之技，只能停留在理論中——想要真正探測(cè)到引力波存在的直接證據(jù)，人類還需要再經(jīng)歷80年時(shí)間在物理理論和工程學(xué)領(lǐng)域不斷進(jìn)步。

從2016年2月11日開(kāi)始，整個(gè)世界都忽然開(kāi)始討論起引力波——引力波時(shí)代開(kāi)始了，而這一切，源于一個(gè)代號(hào)為“GW150914”的來(lái)自激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的探測(cè)信號(hào)。2015年9月14日德國(guó)時(shí)間上午11點(diǎn)，馬克思·普朗克研究所33歲的物理學(xué)博士后馬爾科·德拉戈（Marco Drago）正在位于德國(guó)漢諾威的辦公室里，他收到了一封來(lái)自系統(tǒng)自動(dòng)提示郵件，篩選數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可疑的信號(hào)，發(fā)來(lái)兩張圖片：在噪音背景中，每張圖片都顯示出一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度不到1秒鐘，類似于鳥(niǎo)鳴的波形。德拉戈隨即發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)非常值得注意的事件，信號(hào)噪聲比相當(dāng)高，而且專業(yè)訓(xùn)練讓他辨認(rèn)出，這個(gè)信號(hào)的形狀顯示這是兩個(gè)黑洞合并成為一個(gè)更大的黑洞的過(guò)程。

首先注意到這個(gè)信號(hào)的德拉戈并未欣喜若狂，因?yàn)樾盘?hào)的波形太過(guò)理想化，他當(dāng)時(shí)并不相信這是一個(gè)真實(shí)的探測(cè)結(jié)果。LIGO的物理學(xué)家們?yōu)榱藱z驗(yàn)儀器的靈敏度，會(huì)人為地“注入”一些信號(hào)，而何時(shí)注入信號(hào)、注入何種信號(hào)，只有LIGO有限的幾個(gè)人知道，并且只會(huì)在注入信號(hào)被探測(cè)到，通過(guò)檢驗(yàn)，準(zhǔn)備發(fā)表之際才公布于眾。但德拉戈隨即意識(shí)到，LIGO經(jīng)過(guò)了花費(fèi)2億美元的升級(jí)之后剛剛啟動(dòng)引力波探測(cè)，注入信號(hào)的系統(tǒng)還沒(méi)有開(kāi)始工作，因此這極有可能是一個(gè)真實(shí)的探測(cè)信號(hào)。

意識(shí)到可能真正有所發(fā)現(xiàn)之后，德拉戈給LIGO在美國(guó)分別位于利文斯頓和漢福德的同事們打電話，詢問(wèn)他們是否同樣注意到了可疑的信號(hào)，當(dāng)時(shí)還在深夜的美國(guó)同事們回答說(shuō)“沒(méi)有”。而后越來(lái)越多的人開(kāi)始意識(shí)到這個(gè)探測(cè)信號(hào)的意義，整個(gè)LIGO項(xiàng)目組花了一天時(shí)間才確定這不是一個(gè)注入信號(hào)。LIGO的發(fā)言人加布里埃拉·岡薩雷斯（Gabriela González）決定暫停LIGO升級(jí)計(jì)劃，繼續(xù)探測(cè)一個(gè)月收集引力波的噪聲數(shù)據(jù)，然后再全面分析數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)波形由噪聲產(chǎn)生的概率低至每20.3萬(wàn)年至多一次，可信度極高。

隨后是利用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)波形與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)完全符合。這兩個(gè)黑洞可能已經(jīng)互相圍繞旋轉(zhuǎn)了幾百萬(wàn)年，直到它們彼此每秒鐘互相旋轉(zhuǎn)35圈以上時(shí)，LIGO才開(kāi)始接收到引力波信號(hào)，旋轉(zhuǎn)的頻率迅速提高到每秒250圈，之后兩個(gè)黑洞迅速合并為一個(gè)更大的黑洞。終于得到了確認(rèn)，LIGO決定召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，向全世界公布這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)。

在現(xiàn)場(chǎng)參加LIGO新聞發(fā)布會(huì)的觀眾中，一位名為維吉尼婭·特林布爾（Virginia Trimble）的天文學(xué)家可能會(huì)有非常特殊的感受。她的丈夫，已經(jīng)在2000年去世的前馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）正是最早進(jìn)行引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家。韋伯歷時(shí)幾十年，矢志不渝探索引力波直至去世，這在在物理學(xué)界早已成為一個(gè)飽受爭(zhēng)議的故事，但是當(dāng)人們終于以無(wú)可爭(zhēng)議的證據(jù)發(fā)現(xiàn)引力波時(shí)，仍然沒(méi)有忘記這位引力波探索領(lǐng)域的先驅(qū)。

韋伯在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始了利用實(shí)驗(yàn)尋找引力波信號(hào)的歷程。他試著利用懸掛在鋼絲上的高2米、直徑1米的圓柱體鋁棒來(lái)探測(cè)引力波的痕跡。韋伯堅(jiān)信，當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，有可能使探測(cè)鋁棒發(fā)生百萬(wàn)分之一納米的形變，令鋁棒發(fā)出1660赫茲的輕微振動(dòng)，而這種振動(dòng)可能被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)從而被探測(cè)到——盡管外界環(huán)境的些微改變都可能造成鋁棒的這種性變，但韋伯認(rèn)為，如果多個(gè)鋁棒探測(cè)器同時(shí)發(fā)出這種振動(dòng)，就只能是引力波引起，從而證明實(shí)驗(yàn)成功。1969年他在《物理評(píng)論》（Physical Review）雜志發(fā)表論文，聲稱自己探測(cè)到了引力波信號(hào)，在1970年，他聲稱自己探測(cè)到了311次引力波信號(hào)，信號(hào)的來(lái)源指向銀河系的中心。但令人遺憾的是，沒(méi)有任何其他科學(xué)家可以重復(fù)韋伯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（他們?cè)诟泳艿膶?shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行探測(cè)，又把實(shí)驗(yàn)溫度降到極低，減少熱噪聲產(chǎn)生的干擾），于是韋伯關(guān)于發(fā)現(xiàn)引力波的聲明始終沒(méi)有得到科學(xué)界承認(rèn)。

韋伯始終沒(méi)有放棄通過(guò)鋁棒探測(cè)引力波的實(shí)驗(yàn)，直到20世紀(jì)80年代，越來(lái)越多的科學(xué)家不再相信韋伯的探測(cè)方法，美國(guó)麻省理工學(xué)院年輕的物理學(xué)家雷納·韋斯（Rainer Weiss）在準(zhǔn)備講授廣義相對(duì)論課程的時(shí)候，忽然想到了探測(cè)引力波的另一個(gè)途徑——利用邁克爾遜干涉儀（Michelson interferometer）進(jìn)行探測(cè)，隨后加州理工學(xué)院的物理學(xué)家基普·索恩（Kip Thorne）被韋斯說(shuō)服加入到引力波探測(cè)計(jì)劃，之后，他們決定利用激光干涉尋找引力波，幾十年之后，他們終于取得了成功。

在科學(xué)研究的過(guò)程中，科學(xué)家們有傳承，有競(jìng)爭(zhēng)，也有相互激勵(lì)和啟發(fā)。成功者固然名利雙收，獲得鮮花和掌聲以及耀眼的光環(huán)，但走在一條注定會(huì)失敗的路上，或許也是對(duì)于科學(xué)的另一種貢獻(xiàn)，韋伯和韋斯、索恩等人，先行者和后來(lái)者，在引力波探測(cè)的歷史中，都有著屬于各自的獨(dú)特角色。

（本文寫作參考了《科學(xué)》雜志的報(bào)道）