捕捉引力波：100亿分之一纳米的挑战
经过数十年的努力，物理学家们称他们在未来一两年内就能探测到时空的涟漪。
撰文：Adrian Cho(Science杂志特派记者)
翻译：张福鹏(中国科学院国家天文台博士，北京大学科维理天文与天体物理研究所博士后)
这片小树林地位于美国路易斯安那州(Louisiana)，人口1893人的利文斯顿(Livingston)的正北方。这里并不像是你寻找物理学的重大突破时首先想要去的地方。约瑟夫•贾埃姆(Joseph
Giaime)是一位距离巴唐•罗赫镇( Baton
Rouge)55公里的路易斯安那州立大学的物理学家。此时他正站在一个由一个奇怪的拱形隧道穿过的小天桥上，指着旁边的细长的,
部分已经被砍伐而露出木桩和泥土的火炬松树林说，“这是一个开发中的森林，工人们会来这里砍伐树木”。在一个秋天的傍午，似乎只有伐木工或者是猎人才会来这里。
但是这里的确是物理学家们验证爱因斯坦最非凡的引力理论，即广义相对论的地方。这个隧道至东向西长达4公里，并且和另一个类似的自北向南的隧道在一个附近的仓库似的房子里交会。这个建筑里放置了激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, LIGO)，一个极为灵敏的设备，可能在不久探测到时空中由于中子星或黑洞并合释放的时空涟漪。
爱因斯坦在近一个世纪以前预言了这样的引力波的存在。但是直到现在，对它的探测才达到了一个高潮。在利文斯顿的这个设备和它在华盛顿汉福德(Hanford)的孪生设备，从2002年起一直运行至2010年，但没有看到任何东西。物理学家说，这只是LIGO设备的初步运行，其目的是为了证明探测实验在技术上是可行的。现在，他们正在花费2.05亿美元来改造被称为高级LIGO的新探测器，其灵敏度应该可以比原来提高10倍，获得真正探测引力波的能力。“就像人们在日常生活说的承诺一样轻松”，在LIGO工作的雪城大学(Syrancuse University)物理学家纽约皮特•索尔森(Peter Saulson)说。
探测这些涟漪会打开一个观察宇宙的新窗口。但是实现它们并不容易。每个隧道都含有一对镜子，形成一个光学空腔，在里面红外线被来回反射。物理学家通过比较两个空腔长度的细微差别来测量空间的伸展。但他们必须要在其他的嘈杂震动上来探测这些运动。贾埃姆(Giaime)说地面经常在百万份之一米的强度上震动，这些震动是由地震波，附近火车的轰鸣，及其他的现象所造成。LIGO物理学家必须要将镜子和这些震动隔离开来，这样他们才能看见比这些背景震动要小10万亿分之一的空腔延展或收缩——也就是大约是一个原子长度的10亿分之一。
在1915年，爱因斯坦解释道，当空间和时间，即时空被质量和能量弯曲时，会产生引力。一年后，他预言大质量的物体，在经历某种震荡运动时会发出时空涟漪——以光速穿过时空的引力波。
在随后数十年，这个预言充满了争议性，部分因为相对论的数学极为复杂。坎布里奇(Cambridge)的麻省理工学院物理学家雷纳•韦斯(Rainer Weiss)说，爱因斯坦在最开始的时候犯了一个计算上的错误。“爱因斯坦一开始是正确的”，他说，“但他随后弄错了”。一些物理学家争论到引力波其实是一个数学上的假象，而并不真实存在。在1936年，爱因斯坦曾短暂地认为自己是错的。
即使引力波是真实的，要探测它们也似乎是不可能的，韦斯说。在那个时代，科学家甚至都不知道宇宙的强力引力源——中子星和黑洞，唯一知道的最可能的引力波源是一对相互绕转的恒星。计算显示它们发出的信号微弱到不能被探测到。
到1950年时，理论学家们发现了中子星和黑洞，他们最终一致同意引力波应该是存在的。在1969年，约瑟夫•韦伯(Joseph Weber)，一个在马里兰大学帕克分校(University of Maryland, College Park)的物理学家，甚至宣称发现了引力波。他的装置包括两个1.5米长和0.6米宽的厚重圆柱铝块，其中一个在伊利诺斯州。引力波会拉伸这个铝棒并让它像一个音叉一样震动，而电子传感器会探测到这样的拉伸。韦伯看见了引力波一起穿过两个铝棒时的信号。但是其他的实验小组并未能重复出韦伯发表的结果。物理学家争论道他宣称的信号难以置信的强。
尽管如此，韦伯的努力触发了LIGO的产生和发展。在1969年，韦斯 (Weiss)，一个激光专家，被指派去教授广义相对论。“那时我完全不知道韦伯的实验”，他说。而且，因为他不懂韦伯的方法，所以他发展了自己的光学方法和识别相关的噪声源的方法。“我自己想出了这个方法，并且我把它作为学生的家庭作业，”他说。
韦斯的方法发表在1972年麻省理工的内部期刊上，一开始并没有引起人们的注意。“在当时，对我来说这个方法很明显就像画在天上的大饼一样，永远不可能行得通的，”基普•索恩(Kip Thorne)，一个加州帕萨迪纳市加州理工学院的理论学家回想到。索恩把他的怀疑写在他与其他人合作编写的，发表于1973年的《引力》这本厚重的教材上。“我有一道练习题是证明这个方法是不可能探测到引力波的” 索恩说。
但是在1978年索恩开始重温这个想法，并且他说服加州理工花费2百万美元来建设一个40米长的原型干涉仪。“这完全不是一个难以获得资质项目，”索恩说，“跟麻省理工的情况对比起来的话。”韦斯说索恩在1990年从国家自然科学基金会获得全尺寸的探测器的支持发挥了关键的作用。在利文斯顿和汉福特的LIGO建造开始于1994年。
现在，许多物理学家说高级LIGO在引力波探测上可以说几乎胜券在握。在一个十二月的明亮早晨，在利文斯顿的研究员们开始着手一个为期10天的预运行，标志着他们的首次观测尝试。利文斯顿的LIGO有一种前哨阵地的感觉。大约30名物理学家、工程师、技术人员和操作员聚集在一个为员工提供休息、报告厅和——边上有一个乒乓球桌的——康乐室的大房间。“第6次工程运行在8分钟以前开始了”， 贾宁•罗密 (Janeen Romie)，一个加州理工的工程师说。这看起来很奇怪，因为只要如此少的人就能运行这样一个大型装置。
但在原理上，LIGO是很简单的。在干涉仪管道一样的真空腔内，一束激光在装置的肘型转弯处照亮了一个分光镜，将光平等地分在干涉仪的两臂上。在干涉仪的每个臂上，光场在当它在两端的镜子上来回反射时建立了起来。部分光在靠近光臂尾部的镜子上漏出并照射在分光镜上。如果两个光臂长度精确相等，则汇合的光线会以某种方式重叠、干涉，并回到激光器上。
但是如果长度有细微的不同，则汇合的光波会从同步状态中脱离出来，光线会在分光镜上与原来光线相垂直的的方向上射出。从这个“暗端口”的输出，物理学家可以测量臂长之间极小的、比光波波长小得多的不同。因为引力波穿过装置时，通常会导致其中一个光臂拉伸的长度比另一个光臂更多，这会导致光波的亮度以引力波振荡的频率在暗端变化。这个光亮就是引力波的信号。
在LIGO干涉仪内，从两个光臂中漏出的光波，通常会相互干涉并回到激光器中。引力波通过以不同的幅度拉伸两个光臂的长度，会改变干涉仪的状态并使得光线进入到探测器中。
需要指出的是，LIGO面临着从众多的背景噪声信号中分离出极小的引力波信号的巨大挑战。引力波源通常会以10到1000次每秒的频率，或赫兹，“歌唱”。但是在数百或数千赫兹上，激光器上的单个光子在与镜子碰撞时会产生噪音。为了平滑这样的噪声，研究人员采用加大光强并装置厚重的镜子的方法。在频率为数十或更低时，地震波震动主导，所以研究人员使用复杂的悬挂系统将镜子悬空，并动态地纠正地震波的震动。但是，在地球上任何地方的大型地震，甚至是在遥远海岸的海浪冲击海岸时，都可以让干涉仪脱离同步状态。
为了使汉福德和利文斯顿探测器的灵敏度提高10倍，即到达100亿分之一纳米，物理学家们对装置进行了完全的改造。每个原来像一个重锤一样用钢纤维悬挂着的22千克的镜子，被替换成使用硅纤维悬挂在一个四重锤链的尾端的40千克的新镜子。LIGO的激光功率原来只有10千瓦，现在研究人员希望能达到750千瓦。他们会收集10万个频道的数据来监视干涉仪。对比新的和旧的LIGO，“就像比较一辆汽车和一辆自行车，” 弗里德里卡•拉布(Frederick Raab)，一个汉福德站址的加州理工的团队首席物理学家说。
新的利文斯顿装置已经将原来的LIGO灵敏度提高了一倍。“在6个月里他们已经完成了过去时LIGO花3到4年的进展”。拉布说，而汉福德站的进展已经落后6个月了。但是瓦莱里•弗罗洛夫(Valery Frolov)，一个负责运行利文斯顿装置的加州理工的物理学家，谨慎地表示装置还没有达到预期的指标。地震波的隔离应该能做的更好的，他说，并且研究人员还不能将干涉仪保持在“锁定”并运行较长的时间。如果要达到预期的探测灵敏度，“我不知道是否要像原来的LIGO一样，需要1年甚至5年的时间”，他提醒到。
但是，LIGO的研究人员计划今年开始首次观测运行，并希望能在明年达到设计灵敏度。“我们将会得到可靠的、有说服力的探测，即使不在2016年，也会在2017年或2018年”。加布里拉•冈萨雷斯(Gabriela Gonzalez)，一个路易斯安那州立大学的(LSU)的物理学家、超过900人成员的LIGO科学合作部发言人说。
对比初始LIGO，高级LIGO可以探测到10倍远的引力波源，搜索1000倍大的空间区域。这样大的体积内应该可以探测到多个引力波源。
这个预测是基于恒星统计学。LIGO的主要目标是一对中子星——超过太阳质量的、爆炸后残留的半径只有数十公里宽的恒星核——绕转着向对方掉落，并在最后的数分钟内并合时发射的引力波信号。初始LIGO可以在5000万光年范围内探测这样的一对中子星并合事件。考虑到中子星双星极其稀少，不能保证在这样小的寻天区域内能看到一次这样的事件。高级LIGO可以看到10倍远的距离并探测1000倍大的空间体积，大到足够探测到每年10个这样的源，冈萨雷斯说。然而，克利福德•威尔(Clifford Will)，一个在盖恩斯维尔的佛洛尼大大学的物理学家，注意到引力波源的数目是实验中最不确定的部分。“如果数量少于1个每年，那结果就不太好了。”他说。
探测将是全天的。研究人员不但会结合从两个LIGO探测器上的数据，还会将他们的数据与在VIRGO探测器项目上工作的同事们共享。VIRGO探测器是一个靠近意大利比萨的3公里长的，最近正在升级的干涉仪。还有GEO600， 一个在德国汉诺威的600米臂长的干涉仪。通过对比数据，合作者们可以更好地从噪声中将数据筛选出来，并将源在天空的位置定位。日本的研究人员也正在建设一个探测器，LIGO的领导们也希望在印度增加第三个探测器。
对于理论学家——如果不是对于全世界的其他人——而言，首次探测引力波，在某种意义上说反而会是令人扫兴的。“我们是如此相信引力波的存在，以至于我们实际上不需要去发现它。”马克•卡米奥科夫斯基(Marc kamionkowski)，一个在马里兰巴尔的摩市的约翰霍普金斯大学的理论学家说。这是因为在1974年，美国天体物理学家罗素•赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫•泰勒 Jr.(Joseph Taylo Jr.) 发现了引力波存在的令人信服的间接证据。他们发现了两颗脉冲星——发出有规律的周期性射电信号的中子星——互相绕对方旋转。从脉冲时间信号中，赫尔斯和泰勒可以监视脉冲星的轨道运动。他们发现其轨道周期(或半长径)以广义相对论所预期的那样精确的衰减——如果脉冲双星在不断地辐射出引力波的话。
LIGO的真正贡献是开启了天文学中一个新的前沿，罗伯特•瓦尔德(Robert Wald)，一个伊利诺斯州的芝加哥大学引力理论学家说。“就像在能看见(引力波)以后不久，就能听见(引力波)了一样”。瓦尔德说。比如，如果一个黑洞撕裂了一颗中子星，纳米波引力辐射的细节会揭示出构成中子星物质的性质。
总而言之，探测到引力波的科学家，会被授予最高的科学荣誉，物理学家们说。“一旦发现了引力波，就能拿到一个诺贝尔奖，” 卡米奥科夫斯基预计。“那将会是一个非凡的实验成就”。但是其奖励最多可以由三个人分享，所以问题就变成谁能拿到它。
许多人说维斯会十拿九稳获奖。但是他表示异议。“我不想否认我的工作中有一些革新，但这并不是一个人得到的，”他说。“一个孤单的疯子在一个箱子里工作，那样并不会获得真理。”在1962年，两位俄罗斯物理学家发表了一篇使用干涉仪探测引力波辐射的文章，就像维斯所说的，他在1972年发表了他的工作以后很久才知道这件事。在1970年，加州马利布休斯航空公司罗伯特•福沃德 (Robert Forward)，运行了一个小的干涉仪。LIGO元件的关键设计来自加州理工1979年至1987年的项目首席罗纳德•德雷弗(Ronald Drever)。这个人，索恩(Thorne)说，“应当被认为是LIGO项目的创立者之一”。
但是为了得到这样一个能获大奖的发现，物理学家们必须让高级LIGO完成并运行起来。在星期二早上8点，LIGO的操作员加里•特雷勒(Gary Traylor)在晚班中换班下来。“昨天晚上完全被浪费了，”他用轻微的南方口音说，坐在明亮的控制室的旋转椅上。“在南极洲有一个低压区移动，导致20英尺高的浪打在海岸线上，”德雷勒说，这个遥远的轰鸣信号淹没了探测器的探测信号。所以在午夜以后，LIGO的确探测到了信号，只是这不是大家所希望看到的信号。
(原文刊载于2015年3月6日出版的Science杂志，标题：“To catch a wave”,DOI：10.1126/science.347.6226.1084)
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