引力波可能在五年内解决宇宙危机，或撼动物理学的核心

2017 年 8 月 17 日，宇宙学家丹尼尔·霍尔兹从香港起飞时，脑海里充满了过去一周演讲中提出的想法，包括他希望太空振动有朝一日能解决关于宇宙大小和年龄的持续争论。但他知道这需要时间。需要时间让两个密度最大的物体相撞，并剧烈震动宇宙，让我们在地球上感受到轰鸣声，需要时间找到扰动的位置，需要时间将我们的望远镜对准碰撞点，以免伴随的爆发性光芒再次消失在黑暗中。

乐观地讲，中子星碰撞产生的引力波和光的这种配对观测大约需要十年时间，他在前一天最后一次演讲中告诉听众。激光干涉引力波天文台 (LIGO) 合作已经探测到黑洞合并，而 Virgo 干涉仪两周前刚刚在意大利上线，因此该项目进展顺利。但当在芝加哥大学工作的霍尔兹回到伊利诺伊州时，他得知未来已经提前到来。在他飞行期间，两颗邻近巨星碰撞引发的引力冲击波已经穿过他的飞机——以及整个星球——世界各地的天文台都在争先恐后地进行后续光学观测。

“我们着陆后，我的手机爆炸了。我立即接通电话，坐在笔记本电脑前开始工作，”霍尔兹回忆道。“那是我一生中最奇妙的经历。”着陆 12 小时后，他粗略地计算出了宇宙学中最具争议的数字：宇宙膨胀的速度。仅凭一个数据点，他无法获得十三年来梦寐以求的决定性测量值，但他终于知道这个项目是可行的。现在，在做了更多的计算之后，他又提出了一个新的预测：根据他最近在《自然》杂志上发表的信，LIGO 合作可能能够在五年内解决长达数十年的争论。

讨论围绕一个问题：宇宙膨胀的速度有多快？从理论上讲，找到这个答案（即哈勃常数）很简单。首先要找到一个后退的物体，通常是一颗正在经历某种死亡方式的恒星。这些“1a 型超新星”总是以相同的方式爆炸，因此研究人员可以根据它们的亮度了解它们的距离。要计算哈勃常数，你还需要知道爆炸远离你的速度，这可以通过观察爆炸的颜色来获得，颜色是衡量其光线拉伸程度的一种指标。研究人员还可以利用大爆炸后不久遗留下来的古老光（即宇宙微波背景 (CMB) 辐射）中的信息做类似的事情。一旦知道了膨胀速度，你就可以逆向推算出宇宙的确切大小和年龄，或者向前推进以查看其未来的轨迹。

问题是，当前的两种计算得出了不同的结果。

超新星法（截至 1 月份，为 73.5 公里/秒/百万秒差距）和 CMB 方法（截至 6 月份，为 67.4 公里/秒/百万秒差距）的最新估计值相差约 9%。这种差异最初并未引起该领域的太多恐慌，因为在实践中测量极其困难。一场遥远的大爆炸看起来像一场微弱的近距离爆炸，因此确定超新星的距离依赖于“宇宙距离阶梯”，这是一项复杂的技术，涉及将三种不同距离的物体或“梯级”关联起来。天文学家首先用基本的几何学研究我们银河系后院的闪烁恒星，然后将这些知识转移到遥远星系中行为类似的恒星，以了解那里发生的超新星。“他们在很多方面都非常小心，”霍尔兹说。“但这里面有很多问题。”

研究 CMB 需要的机械设备更少，但假设更多。背景辐射保存了宇宙膨胀初期的记录，为了推断现在的情况，宇宙学家必须利用他们认为他们知道的一切，包括引力、物质、暗能量和暗物质在这 130 亿年中的作用。任何数量的缺陷都可能导致任何一种方法失效，但即使每个阵营的天体物理学家都反复检查了他们的数学，这两种估计仍然无法收敛。现在，宇宙学界刚刚经历了一系列令人难以置信的统计厄运，其概率接近千分之一。

“现在我们已经到了这样的地步，‘哇，这可能不只是偶然’，”研究超新星方法的约翰霍普金斯大学宇宙学家亚当·里斯说。“有一些有趣的事情正在发生，一些我们对宇宙还不了解的事情。”

霍尔兹将自己的职业生涯押注在引力波可以充当裁决者的想法上。这个想法源自美国物理学家伯纳德·舒茨 1986 年的一篇推测性论文，即另一种类型的死亡恒星可以取代超新星，成为宇宙距离的更清晰的尺度。爆炸后，那些还不足以变成黑洞的巨星会坍缩成中子星——一团密度如此之大的粒子，甚至原子都会被压碎。当两颗这样的恒星尸体相撞时，撞击会引发一种被称为引力波的涟漪。

由于这些波本身就是太空中的波动，因此没有任何东西可以阻挡它们。它们不受尘埃和气体云的干扰，从碰撞地点向外扩散，直到到达地球，科学界在地球上操作三个 L 形探测器（还有更多探测器正在路上）来捕捉它们。当波穿过地球时，它会轻轻挤压地球。每个 L 形的一条臂比另一条臂短一个质子左右，该仪器会通知世界各地的物理学家和天文学家。利用广义相对论的精确方程，研究人员只需进行少量计算和假设，就可以精确测量到碰撞的距离——无需爬梯子或计算粒子数。

2005 年，霍尔兹完善了这一理论，他认为，在探测中子星碰撞的同时探测到中子星的波，可以提供速度信息来补充引力波的距离读数，并加入 LIGO 带头开展这项工作。他回忆说，他的许多同事告诉他，这永远不会发生，因为天文数据预测中子星合并应该极其罕见，但 8 月 17 日，就在他乘飞机回家的时候，所有的线索都汇集到了一起。

该事件测得的哈勃常数大致为 70，介于传统的两个哈勃常数之间，但即使是最极端的超新星和 CMB 估计值也存在不确定性。霍尔兹在最近的论文中计算，要解决这一矛盾，需要将可能的误差缩小到 2% 或 3%，这将需要 30 到 50 次去年观测到的碰撞。基于 LIGO 不断提高的灵敏度和假定的中子星合并率，他现在预计将在五年内获得足够的数据来决定两个哈勃常数的竞争者。里斯没有参与这项工作，他同意引力波提供了一条合理且令人兴奋的前进道路，但他指出，很难猜测我们会多久发现一次合并。“也许它们会积累得更快，”里斯说，“但如果它们积累的速度慢 10 倍，我不想等 50 年。”

霍尔兹承认，很难猜测某件事发生过一次之后会以怎样的频率发生，但他表示有理由保持乐观——如果他的计算正确的话。他的模型基于统计罕见事件的常用统计工具，预测到 2026 年将探测到 30 到 400 次合并。他预计，任何这些结果都会使哈勃常数的不确定性超过 3%，因此人们不必等待 50 年。

如果引力波确实能让我们精确地测量宇宙的膨胀，那么可能出现三种结果。LIGO 数据可能支持 CMB 方法，这意味着宇宙阶梯未能准确到达超新星。里斯说，只有“错误合谋”才能解释为什么六种独立的校准方法都失败得如此惨烈，并将这种情况比作多次被闪电击中。

霍尔兹和里斯都表示，如果中子星支持超新星计算，那将会更加有趣，这将指向宇宙从诞生到现在如何演化的错误假设——这是备受期待的新物理学迹象。霍尔兹推测，引力的作用可能与我们预期的不同，或者宇宙学计算中可能遗漏了未被发现的粒子。

或者，LIGO 可能会对哈勃常数进行完全不同的测量，超出超新星和 CMB 设定的范围。这种结果将造成噩梦般的局面，从根本上动摇宇宙学。“这只会让我们所有人的测量能力受到质疑，”里斯说，“我希望我们不会陷入那种境地。”

目前，霍尔兹只是很高兴他的赌注得到了回报。去年他认为第一个数据点还需要十年才能出现，几个月后，当 LIGO 于 2 月重新上线时，他将听到第二个数据点。“我花了数年时间研究和开发这个想法，”霍尔兹说。“不到半天的时间，它就呈现在我面前了。”