书城科普引力波
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第2章 黑洞碰撞

【献给沃伦、吉布森和斯特拉】

没有什么比引领事物的新秩序更难把握、更冒险和更不确定的了。

—马基雅维利,《君主论》(1513)

在宇宙的某个地方,两个黑洞发生了碰撞。这两个黑洞与恒星的质量差不多,体积却只有一般城市那么大,是真正意义上的黑洞(里面空荡荡的,没有一丝光)。在碰撞发生前的最后几秒钟里,它们在引力作用下一起绕着最终接触点完成了数千次的旋转,使时空发生了剧烈振荡。碰撞之后,这两个黑洞合并到一起,形成了一个更大的黑洞。黑洞碰撞是宇宙诞生之后威力最大的一个现象,释放出的能量超过1021个太阳。碰撞发生时一片黑暗,爆炸产生的所有能量都不会以光的形式逸出,所以用任何望远镜都无法观察到。

黑洞合并时,无数能量以纯引力,也就是引力波的形式,不停地向四周传播,时空受到扰动而泛起涟漪。但是,即使有宇航员正好在附近,他也不会看见任何异常现象。不过,他所在的空间会发生铃振现象,对他挤压、拉伸,使他的身形发生变化。如果靠得足够近,他的听觉器官会随之振动,也就是说,他可以“听见”引力波。在空无一物的黑暗中,他可以听见时空发出的声音(如果黑洞没有夺走他的生命)。引力波就像不需要物质媒介的声音,在黑洞相互碰撞时,就会发出这样的声音。

没有人听过引力波的声音,也没有任何仪器留下清楚无误的记录。虽然引力波以光速传播,但是从碰撞点传播到地球可能需要10亿年的时间。在到达地球之前,黑洞碰撞发出的声音已经非常微弱了,以至于用语言根本无法形容,如此微弱的声音我们肯定难以察觉。在引力波抵达地球时,空间的鸣响会引起距离的相对变化,在相当于三个地球并排的跨度上位移一个原子核的宽度。

半个世纪之前,一股记录天空中各种声音的潮流悄然兴起。LIGO是美国国家科学基金会(NSF,为基础性科学研究提供支持的美国联邦政府独立机构)迄今为止投入最多的项目,包括两台探测器,分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿,各占地4平方公里。LIGO的综合成本超过10亿美元,参与合作的全球科学家和工程师有数百人之多,是所在专业领域几十年来科技创新工作的一个标志性成果。

在过去几年里,为了提升探测能力,这两台机器都处于脱机状态。一名实验人员告诉我,机器的所有部件都被更换了,除了那个空空如也的管道(真空管)。与此同时,世界各地的科研团队都在进行紧张的计算,希望可以预测宇宙最喧闹的状态何时到来。理论学家则利用这段时间设计数据算法,建立数据库,并想尽办法充分利用这些工具。为了“在相当于地球周长1000亿倍的距离范围内测量出比人的头发的直径还要小的变化”,许多科研人员全身心地投入其中。

如果探测到引力波,人们有望在随后几年里取得丰硕的成果,因此位于地球上的天文台渴望记录天文巨变从不同方向、不同距离传到地球上的声音。死星发生碰撞,古老的恒星发生爆炸,还有曾经发生的宇宙大爆炸,所有这些高冲击强度的混乱状况都有可能引起时空振荡。从伽利略用一架简陋的望远镜观察太阳开始,人类把400年来拍摄的一系列静止的天空照片,汇编成一部讲述宇宙历史的无声电影。在这些天文台投入使用期间,科学家们将为这部电影配上一首不是很悦耳却非常热闹的主题曲。

在这个尝试测量时空形态微弱变化的具有里程碑意义的实验中,我身兼数职:首先是作为一名科研人员,希望为一个庞大的科学领域做出自己的贡献;其次是作为一名初学者,希望深入了解干涉仪;最后是作为一名作者,用手中的笔记录人类在黑洞研究活动中取得的重大进展。随着全球范围内争相建造引力波天文台的热度逐渐消减,这个领域即将有重大发现的前景牢牢地吸引了人们的注意力。不过,仍然有人强烈怀疑它最终能否取得成功。

尽管在开始的时候,LIGO项目面临诸多困难:争议不断,权威科学家表示反对,团队内部斗争十分激烈,技术上也一筹莫展。但是,LIGO项目没有被击垮,而是摆脱了阴影,不断变强,走上了发展的道路。50年前,使用一个无比庞大的机器去捕捉极其微弱的声音,还仅仅是人们的一个遥远的梦想,而现在已经万事俱备,只欠东风了。在20世纪60年代,这个灵光乍现而来的思想实验仿佛一首令人莞尔的俳句诗,而现在它已经变成由金属和玻璃制成的实物。2015年秋,在爱因斯坦提出引力波预言的100周年之际,改进后的LIGO探测器开始记录太空传来的声音。在一两年(也有可能是三年)之内,这些机器就会达到最灵敏的状态。上一代的机器证明这个概念是可行的,但成功却不是唾手可得的,因为大自然并不总是按人类的意愿行事。这些高精尖的机器可以自动锁定目标,也可以由人来完成调整、修正、校准等操作。如今,这些机器静静地等待着捕捉某个非同寻常的信号,科学家们也摒除疑念,坚持完成最后的工作。

本书既是一部引力波编年史(是宇宙历史的有声记录,也是为那部无声电影谱写的主题曲),又是献给那些矢志不渝、坚持不懈的实验人员,以及愚公移山式科学精神的一首赞歌。