捕捉引力波——广义相对论发表100周年纪念
经过几十年的努力，物理学家们称在未来的一至两年时间里，他们或将能够探测到天体运动产生的时空涟漪。
上图：一片森林覆盖了位于利文斯顿LIGO的两条4公里的“长臂”。
位于路易斯安那州利文斯顿北部的一片林地，意料之外地成为了一个重要物理学问题的突破之地。站在拱形隧道的立交桥上，路易斯安那州立大学的物理学家约瑟夫·贾埃姆（Joseph Giaime）凝望着眼前这片狭长的火炬松林带，其中一部分是砍伐后留下的树桩，“这里是一片伐木林，”他说，“每天都会有人来这里砍伐原木。”
就在这里，物理学家可能将证明爱因斯坦最为壮观的引力理论（或称广义相对论）的预测。从东西向的长4公里隧道，与南北向同样长的隧道在附近的一处建筑物交汇——一台超灵敏的仪器，激光干涉引力波探测器（LIGO）就建在这幢建筑物内。通过这台观测仪器，科学家不久将有望检测到中子星或黑洞合并时向外发出的时空涟漪。
早在近一个世纪之前，爱因斯坦就预测到引力波的存在。目前科学家正在努力寻找引力波存在的证据。利文斯顿和华盛顿汉福德的引力波检测仪从2002年开始运作，直到2010年还没有新的发现。事实上，LIGO最初的目的只是想证明这项实验在技术上是否可行。如今，他们已耗资2.05亿美元完成了对LIGO的升级，升级后的LIGO其敏感度将比原来的提高10倍。“这几乎可以保证我们对目标的检测。”在LIGO工作的纽约锡拉丘兹大学物理学家彼得·索尔森（Peter Saulson）说道。
对时空涟漪引力波的检测将为人类观测宇宙打开一个新窗口，尽管这项工作并非那么容易。坐落在利文斯顿两条隧道内的探测仪长臂装有一对反射镜，形成了一个“光学谐振腔”，红外线光在里面来回反射。为了探测空间拉伸现象，首先必须排除任何干扰对反射镜造成的影响，以确保可以检测到十万亿分之一长度的延伸或缩短，相当于一个原子十亿分之一的宽度。当贾埃姆看了一眼立交桥后说，地震波会导致地面百万分之一米的晃动，包括附近列车的隆隆声和其他噪声干扰。
LIGO建造始末
爱因斯坦在1915年曾说，当质量和能量令时间和空间扭曲时，就产生了引力。一年后他预测，大质量天体在产生某种振动时会在时空中产生涟漪——以光速前进的引力波。
几十年来，对引力波的预测一直存在争议，部分原因是广义相对论在数学上是如此的复杂，即使爱因斯坦本人一开始也疑虑过的错误。麻省理工学院（剑桥）的物理学家莱纳·韦斯（Rainer Weiss）说道，“爱因斯坦的预测是正确的，但他之后又产生了困惑。”包括一些理论家认为，引力波是数学上的一种假设，实际上并不存在。1936年，爱因斯坦经过严密的数学演绎，得出场方程能够导出引力场波动的严格解。
韦斯说道，即使引力波是真实存在的，检测到它们似乎也是不可能的。在科学家对宇宙引力的来源——中子星和黑洞——一无所知的年代，能获知引力波存在的唯一来源是一对互相围绕轨道运行的恒星。但计算表明，它们产生的引力波信号太过微弱而无法被检测到。
到了1950年代，理论物理学家对中子星和黑洞进行推测后，终于认同了引力波的存在。1969年，马里兰大学物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）甚至声称发现了引力波存在的证据。他的引力波检测设备包括两个长1.5米、宽0.6米的巨大铝气缸（其中一个在伊利诺伊州），并称引力波可拉伸木条使其像音叉一样振动，电子传感器可探测到这种拉伸现象。但其他实验者无法复制韦伯的实验结果，并认为其声称的引力波信号之强大令人难以置信。
然而，韦伯的实验触发并推进了LIGO的发展。1969年，韦斯在学校教授广义相对论，但他自认为对广义相对论还不十分了解，特别是他根本无法理解韦伯的实验方法。于是他利用光学方法从辨别声音的来源着手。“我是为完成教学任务想出这个办法的，并作为作业布置给学生。”他说。
韦斯在1972年将他的这一想法发表在麻省理工学院的内刊上，但很难引起广泛的关注。加州理工学院的理论家基普·索恩（Kip Thorne）回忆道，“当时在我看来，这显然是空中楼阁。”索恩在参与编著的《万有引力》教科书中表达了他的怀疑，“我有一种感觉，以这样的技术永远也探测不到引力波。”
1978年，索恩说服了加州理工学院花费200万美元制造了一个40米臂长的干涉仪原型，并于1990年获得美国科学基金会（NSF）建造全尺寸引力波探测器的支持。至此，在推进LIGO进程中索恩的作用至关重要——利文斯顿和汉福德的引力波观测站终于在1994年开始建造。
科研观测前哨站
现在，物理学家对改进后的LIGO充满了信心，利文斯顿因此成为了一个科研观测的前哨站。去年12月一个晴朗的早晨，大约30名物理学家、工程师、技术员聚集在一个大房间里，开始了为期10天的首次引力波观测设备的试运行准备工作。
LIGO的原理很简单，其干涉仪内部管道就如同真空室，弯管处的分束器向干涉仪的两个长臂发出一道激光束（一分为二），长臂内，激光在两端的反射镜之间来回弹射，以增强光的强度。期间，一些光通过长臂两端附近的反射镜泄漏出去，然后又反射回激光分束器上。如果两臂长度完全相同，光返回时，融合的光波重叠并相互干扰后直接返回激光器。
如果长度有丝毫差别，重新融合后的光波会出现不同步现象，从分束器中出来的光束将垂直于原始光束，物理学家就此可以从“暗端口”测量出两臂长度和光的波长之间的细微差异。如果引力波通过仪器，对一个长臂的拉伸力量会大于另一个长臂，从而导致从“暗端口”出来的光以光波产生涟漪的频率发生颤动，这就是引力波信号。
在具体实践中，要从庞杂的振动噪声中筛选出无穷小的信号，这对于LIGO来说是一个巨大的挑战，引力波的“吟唱”频率应该在每秒10到1 000次之间，或10至1 000赫兹，然而，光子以数百或数千赫兹的频率与镜面相撞时会产生白噪音。为了消除这种噪音影响，一是加大光束的量，二是部署更多的反射镜。在数十赫兹或更低频率时，地震波振动占主导地位，因此将反射镜安置在悬架系统上，以抵消地震波的影响。尽管如此，在世界任何地区发生的大地震，甚至是遥远海浪的冲击声，都有可能干扰到干涉仪的正常工作。
为了将探测器的灵敏度提高10倍，物理学家已经对设备进行了升级：悬挂于石英纤维末端的重40公斤的反射镜取代了原来重22公斤的反射镜，光功率从原先的10千瓦有望提高到750千瓦，同时将收集10万个频道数据来监控干涉仪。负责汉福德引力波检测仪的物理学家弗雷德里克·拉布（Frederick Raab）说道，新老LIGO的比较就好比“一辆汽车与一个轮子的差异。”
拉布说道，升级后的LIGO其灵敏度至少翻了一番，原先需要3至4年的工作量，现在只需6个月的时间。尽管工作进度加快了，但负责探测器调试的物理学家瓦列里·弗罗洛夫（Valery Frolov）告诫道，新机器的运行还需要磨合，包括消除地震波的办法还应该更好，以及研究人员还未能将干涉仪“锁定”并长时间运行。至于灵敏度，“我不知道是否还需要1年或更长时间才能达到设计的标准。”
尽管如此，LIGO研究人员还是计划于今年进行第一次试运行，希望明年能达到设计灵敏度。“我们必须进行检测，这样我们才能够捍卫我们的观点，如果2016年不行，那就2017年或2018年。”路易斯安那州立大学的物理学家、拥有900名成员的LIGO科学合作团体发言人加布利拉·冈萨雷斯（Gabriela González）说道。
诺奖级的成就
LIGO的主要目标是中子星生成的引力波。升级前的LIGO发现距离我们5 000万光年之远的一对恒星爆炸（成对中子星极为罕见，能看到就更幸运了）。冈萨雷斯说道，升级后的LIGO其灵敏度将是之前的10倍，搜索范围则提高了1 000倍，或可以保证每年不下于十个观测目标。然而，也有人并不这么认为，佛罗里达大学的理论物理学家克利福德·韦尔（Clifford Will）就是其中的一个。他指出，目标数量是引力波探测实验最不确定的因素。“如果每年不到一个，可就不太好了。”
引力波探测同时也是一项全球性的研究项目。结合利文斯顿和汉福德LIGO探测器的数据，研究人员可以与同行彼此分享意大利VIRGO探测器（臂长3公里的激光干涉仪，正在升级）、德国汉诺威臂长600米的GEO600干涉仪的数据。通过数据比较，合作者可以更好地从白噪音中筛选出引力波信号，直至查明信号的来源。日本的一个探测器正在建设之中，LIGO负责人希望能在印度建立第三个探测器。
约翰·霍普金斯大学的理论物理学家马克·卡米奥库斯基（Marc Kamionkowski）说道，“我们是如此相信引力波的存在，实际上我们并不需要真的看到它。”这是因为1974年赫尔斯和泰勒发现了间接但令人信服的引力波存在的证据：两个互相绕轨道运行的脉冲星以顺时针方向有规律的发出无线电信号。他们认为，如果脉冲星是以引力波的形式辐射能量，那么其衰变速率是完全可以预测的。
芝加哥大学的重力理论学家罗伯特·瓦尔德（Robert Wald）说道，“这好比让我们既能看到，又能听到。”例如，如果一个黑洞撕裂了一颗中子星，那么引力波的细节就有可能揭示中子星内所含物质的属性。未来真正的回报是，LIGO将在天文学领域开辟出一个新的前沿阵地。
总之，物理学家们认为，引力波探测具有重要的科学价值和意义。一旦探测到引力波，那就是一个诺奖级的成就。但要让这个诺奖级的发现成为现实，物理学家们首先必须让LIGO运行起来。
一个周二的早上8点，在LIGO控制室忙乎了一个晚上的加里·特雷勒（Gary Traylor）说道，一个低压区在大西洋上空移动，造成高达20英尺的海浪冲击着海岸，其海浪声盖过了探测器的声音。是的，LIGO确实探到了波的存在，但那是波浪声，而不是众人翘首以盼的引力波。
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