档案中的精彩内容：探索引力波的诱人探索

为了纪念 150 周年，我们重新回顾了科普故事（成功和失败），这些故事有助于定义科学进步、理解和创新，并增加了一些现代背景。探索整个档案系列并查看我们所有的周年报道。

13 亿年前，两个黑洞相撞，向时空结构释放了相当于三个太阳的能量。2015 年的一个星期一，在华盛顿州汉福德的一个偏远设施中，研究人员探测到了那次古老的宇宙撞击，当时它的影响已经越过地球。他们将其引力波绘制成音频，引力波的长度小得令人难以置信（^仅为质子直径的 1/10,000），并听到了一声呼啸。那微弱的声音经过了 100 多年的制作。

自从爱因斯坦于 1916 年预言引力波的存在以来，物理学家们一直在寻找探测引力波（由大规模事件引起的时空涟漪）的方法。在 1981 年 4 月的一篇文章中，《大众科学》杂志编辑亚瑟·费舍尔描述了对引力波的搜寻，称其为“整个科学史上最激动人心的事件之一”。激光干涉引力波天文台（LIGO）负责探测 2015 年的引力波，但正如费舍尔所解释的那样，在 1981 年，它只是众多相互竞争的计划之一，每个计划都采用不同的测量技术。

麻省理工学院物理学教授（现已退休）雷纳·韦斯和加州理工学院的基普·索恩是费舍尔会见和采访的众多科学家之一。韦斯在 20 世纪 70 年代设计了激光干涉仪的设计，后来与索恩和巴里·巴里什合作建立了 LIGO（三人均因其努力获得了 2017 年诺贝尔物理学奖）。自 2015 年首次出现宇宙轰鸣以来，LIGO 已探测到 90 次不同的引力波事件。

在他的故事中，费舍尔描述了导致时空震动的遥远太空荒野，包括星震、伽马射线爆发和滴答作响的中子星（脉冲星）。但韦斯才是最能捕捉到太空湍流的人，他的设备于 2015 年探测到第一道引力波后不久：“像恒星这样巨大的东西，以光速移动，相互撞击，使时空几何形状变成某种洗衣机。”

“对引力波的诱人探索” （Arthur Fisher，1981 年 4 月）

当科学家最终发现一种从未见过的能量形式时，他们将开启天文学的新时代。

在浩瀚的宇宙中，灾难是常有的事：重大事件总是会发生。也许是太阳耗尽能量后炽热死亡，也许是两个黑洞相撞，也许是中子星深处发出颤音。这样的事件会喷涌出大量能量巨大的辐射流。这些能量冲过太空，覆盖我们的太阳系，席卷地球……却无人察觉。

但有一小群实验者，大约 20 个小组，分布在世界各地，从加利福尼亚到坎顿，决心有一天他们会注意到这一点。他们把当代技术推向极限，与自然法则本身的明显极限作斗争，正在开发有史以来最灵敏的天线。最终，他们确信，他们将探测到这些令人抓狂的无形现象——引力波。

尽管引力波（正式名称为引力辐射）从未被直接探测到，但几乎整个科学界都相信它们存在。这种确信部分源于引力波概念的基础：阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，尽管仍在接受检验，但仍未推翻 [PS，1979 年 12 月]。加州理工学院天体物理学家 Kip Thorne 表示：“我所认识的引力理论专家中，没有一个怀疑引力波存在的。我们唯一可能犯错的情况是，爱因斯坦的广义相对论是错误的，并且所有竞争理论也是错误的，因为它们也预测了引力波。”

1916 年，爱因斯坦预测，当物质以适当的方式加速时，运动的质量将在时空的无形网格中产生涟漪，在经过宇宙海洋时瞬间拉扯宇宙海洋中的每个点。这些涟漪（引力波）将携带能量并以光速传播。

从很多方面来看，这一预测与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的预测类似。麦克斯韦是一位才华横溢的英国物理学家，他于爱因斯坦出生的 1879 年去世。麦克斯韦指出，电荷加速会产生电磁辐射，即包括光在内的一系列波，它们都以相同的恒定速度传播。他的许多同时代人都嘲笑他的想法。但仅仅在他去世十年后，海因里希·赫兹在实验室中生成并检测到无线电波，证明了他的观点是正确的。

那么，为什么在爱因斯坦做出大胆预测 60 多年后，仍无人观测到引力波呢？为什么尽管困难重重，物理学家们仍在努力寻找引力波，这在某种程度上可以说是科学史上最激动人心的圣杯探索？

为了找到答案，我拜访了正在建造引力波探测器的实验人员和理论家，他们的深奥计算指导着他们。在这个过程中，我了解了这些问题，以及解决这些问题的尝试如何产生了有用的副产品。我还了解到，如果探索成功，最终的回报是：一种新的、强大的工具，可以首次洞察一位物理学家所说的“宇宙中最令人震惊的事件”。

飞越太平洋的吻

重力波探测的根本问题是重力作为一种力极其微弱，比电磁力弱 40 个数量级。（也就是 10 ⁴⁰ ，或者 1 后面跟着 40 个 0。）

部分出于这个原因，部分是因为引力波的其他特性，它们与物质的相互作用非常微弱，使得它们的通过几乎不可察觉。与电磁的偶极辐射不同，引力辐射是四极辐射。

例如，如果我们星系中的超新星产生的引力波穿过你正在阅读的页面，四极效应将首先使长度扩大而宽度收缩（或反之亦然），然后反过来。但沉积在页面上的能量是如此之小，以至于尺寸的变化将小于质子的直径。因此，试图探测引力波就像站在 Big Sur 的海浪中聆听太平洋对面吹来的吻声。至于在地球上产生可探测的波，就像赫兹一样，理论家很久以前就排除了这种可能性。麻省理工学院物理学教授雷纳·韦斯说：“当然，每次挥动拳头都会产生引力波。”“但任何你能探测到的东西都必须是由快速移动的巨大物体产生的。这意味着太空中的事件。”

天体物理学家已经整理出此类事件的完整目录，每个事件都与不同能量、不同特征频率和不同发生概率的重力波有关。它们包括宇宙起源的“大爆炸”中所谓的连续背景重力辐射 [PS，1980 年 12 月]，以及周期性事件，例如脉冲星和由超高密度物体组成的双星系统发出的规则辐射脉冲。然后是奇异事件：球状星团、星系核和类星体中黑洞的诞生；中子星地震；以及超新星。

最有可能被探测到的超新星可能是斯坦福大学物理学教授威廉·费尔班克所说的“宇宙历史上最戏剧性的事件”。随着恒星（例如我们的太阳）的衰老，它会将部分质量转化为核能，大约每 50 亿年就会有 1%。费尔班克解释说：“像太阳这样的大恒星不会坍缩的唯一原因是，其核心的高温产生了足够的压力来抵抗引力。但是，当它燃烧燃料冷却下来时，引力开始克服使粒子分开的电力。它坍缩得越来越快，如果它是一颗超新星，恒星的外壳就会爆炸。在最后的千分之一秒内，它会坍缩成一颗中子星，如果原来的恒星质量超过三个太阳质量，可能会变成一个黑洞。”表征引力波能量的一种方法是它撞击到任何物质时产生的应变。如果质量具有给定长度的尺寸，则应变等于该长度的变化（由重力波产生）除以长度。重力波具有非常非常小的应变。我们星系中发生的超新星可能会在地球上产生应变，该应变会使 100 厘米长的探测器收缩或伸长仅为原子核直径的百分之一。（即 10 ^-15厘米，物理学家将应变标记为 10 ^-17 。）感谢不知疲倦的实验者，有些探测器能够感知到这种微不足道的顾虑。

但有一个问题：根据对其他星系的观测，超新星爆发的概率大约是每 30 年一次，在任何星系的致密中心都会发生一次。这是一个令人沮丧的漫长间隔。我采访过的科学家们一次又一次地表示，如果要依靠这种罕见的事件，他们就无法开展有意义的工作。罗切斯特大学的戴维·道格拉斯教授告诉我：“建立一个实验来检测每 30 年一次的事件——也许——并不是一份令人满意的工作。对于研究生助理来说，这几乎不是一个很好的博士项目；它甚至不是一个好的职业项目——你可能运气不好。”

引力波：强大的天文工具？

如果我们不局限于我们自己星系内的事件，而是把目光投向更远的地方，会怎么样？我们不去寻找我们星系中“极其罕见”的超新星（用一位研究人员的话来说），而是去一个非常大的舞台——室女座星系团——寻找它们，它会怎么样？室女座星系团有大约 2,500 个星系，超新星爆发的频率应该是每隔几天到每月一次左右。这就是第 22 条军规² 。室女座星系团比我们自己星系团的中心远 1,000 倍。因此，来自该星系团的超新星事件会发出引力波，而引力波对地球的影响会弱几百万倍（根据支配所有辐射能的平方反比定律，是 1,000 乘以 1,000）。而这意味着要建造一个灵敏度高一百万倍的探测器。加州理工学院和苏格兰格拉斯哥大学的罗纳德·德雷弗说：“没有哪个科学领域像重力波探测这样需要如此巨大的灵敏度提升。”试图探测遥远星系中的超新星意味着必须测量原子核百万分之一大小的位移。

矛盾的是，正如基普·索恩所说，正是这种特性让引力波成为“天文学的强大工具”。诚然，它们可以毫无阻碍地通过引力波探测器。但这意味着黑洞诞生时产生的引力波也可以毫无阻碍地穿过周围的所有物质。”而光、伽马射线和无线电波都不能。在超新星爆发期间，我们可以通过电磁辐射流看到爆炸的外壳，但只能在最初的大规模内爆（引力坍缩）几小时或几天后才能看到。在坍缩过程中，当中子星或黑洞形成时，只有引力波（理论上还有中微子）可以逃逸。

“我们至少部分打开了宇宙的所有电磁窗口，”索恩说。“借助重力波天文学，我们将打开一扇独特的新窗口，观察无法通过其他方式进行深入研究的迷人爆炸事件——黑洞的诞生和碰撞、恒星地震、中子星坍缩。这是现代高能天体物理学的真正支柱。”

但首先，正如食谱中所说，你必须捕捉到重力波。直到 20 世纪 50 年代，没有人认为这项任务是可行的。后来，马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯开始思考建造重力波探测器的问题，并着手进行。说他是整个领域之父并不夸张。到 1967 年，他和他的助手们建造了第一个可操作的重力波探测器——一根巨大的铝棒，尽可能与外部振动隔离，周围环绕着压电晶体传感器，将铝棒尺寸的变化转换成电信号。韦伯报告了这台探测器和阿贡的双探测器上记录的许多事件，他得出结论，这些事件是重力波 [PS，1972 年 5 月]。他的报告激发了许多其他实验者建造自己的探测器。这些探测器由贝尔实验室的 JA Tyson 和罗彻斯特的 David Douglass 等研究人员设计，遵循了与韦伯开创性的条形探测器相同的原理，但灵敏度更高。这些和后来的实验者都无法证实韦伯的发现；事实上，理论家认为，以韦伯条形探测器的水平，不可能探测到引力波。“要么是乔·韦伯错了，”有人告诉我，“要么是整个宇宙都乱了。”

如今，人们正在开发三种基本类型的重力波探测器。一种是韦伯谐振条天线，经过了进一步的改进；第二种是激光干涉仪；第三种是名为多普勒跟踪的太空系统。每种探测器都有各自的优势，也都有各自的棘手工程问题。

进展最快的是共振棒，主要是因为它已经研发了很长时间。共振棒的质量越大越好（因为它对重力波的反应越好）。而它的价值取决于被重力波击中后一段时间内的共振或“振铃”质量。振铃时间越长，实验者就越能分辨出重力波的影响。该质量通过称为“Q”的值来衡量 - Q 值越高越好。一段时间以来，大卫·道格拉斯和其他人（包括苏联科学家）一直在寻求用蓝宝石水晶球等高 Q 值材料制造探测器。但道格拉斯又回到了铝。原因是：发现了具有非常高 Q 值的新型铝合金；蓝宝石无法大量制造（他的一个探测器有一根 6 吨重的铝棒）；和成本：“一块 60 磅重的纯蓝宝石水晶，”他告诉我，“大约要花费 50,000 美元。”

和几乎所有开发条形天线的人一样，道格拉斯放弃了室温探测器，转而使用低温探​​测器，尽可能将温度冷却到绝对零度。其中包括珀斯、澳大利亚、东京、莫斯科、路易斯安那州立大学、罗马的团队、马里兰大学的韦伯本人以及斯坦福大学的威廉·费尔班克及其同事。

费尔班克告诉我低温方法为何必不可少：“在室温下，棒中原子的随机热运动是我们要探测的位移的 300 倍。达到我们要求的灵敏度的唯一方法是通过冷却棒来消除热噪声。”

当我参观斯坦福校园时，探测器重达五吨的铝棒被密封在低温恒温器内，低温恒温器是一种超大号的热水瓶。整个装置看起来就像是用来冷冻弗兰肯斯坦的怪物几个世纪的东西。环境也非常适合：一座巨大、通风的混凝土建筑，可能是废弃的齐柏林飞艇机库。

这种天线和其他类似天线的设计目的是对频率约为 1,000 Hz 的重力波作出响应，这是超新星辐射的特征。显然，天线必须尽可能地与该频率或附近的任何外部振动隔离。斯坦福研究小组通过用特殊弹簧悬挂圆柱体来实现这一点，弹簧由交替排列的铁条和橡胶条组成，被称为隔离堆。“否则，以我们的灵敏度，”费尔班克说，“这个探测器会成为一台糟糕的地震仪——这正是我们加州所不希望看到的。”斯坦福悬挂系统将外部噪音减弱了 10° 倍，足以让你在它附近扔下一个保险箱而不会干扰探测器。

在路易斯安那州立大学，威廉·汉密尔顿正在建造一个与斯坦福非常相似的天线（最终它将成为罗马-珀斯-巴吞鲁日-斯坦福轴线的一部分，以寻找重力波巧合），他采取了另一种地震隔离方法。该设备的温度非常低，使他能够磁力悬浮杆；它涂有一层薄薄的铌锡合金薄膜，这种材料在接近绝对零度时会变成超导。如果在杆下放置电磁铁，流过涂层的持续电流将与磁场相互作用，使杆真正漂浮在空中。

超导性也是解决所有工程问题中最棘手的问题之一的关键：设计一个能够感知这些天线的微小位移并将其转换为可放大和测量的有用电压的换能器。“你买不到这样的东西，”大卫·道格拉斯说，“你必须自己制造，并且超越最先进的水平。”道格拉斯和费尔班克都使用超导设备，这些设备的精巧设计使其灵敏度极高——比最初使用的压电晶体高出几个数量级——尽管他们的方法在细节上有所不同。

超导设备也许有一天——在遥远的未来——让重力波天文学家能够表演一项名为“量子非破坏”的魔术。简单来说，这意味着要避开所有谐振探测器的一个基本限制，即位移越来越小时量子力学定律所施加的限制。如果条形天线要足够灵敏，能够探测室女座星系团中超新星的重力波，就必须面对这个问题。

替代方案：激光干涉仪

“我们转向激光探测器的原因之一，”Ronald Drever 说，“是为了避免量子极限问题。因为我们可以在更大的空间区域进行测量，所以我们实际上可以看到更大的信号。我们不必像在条形天线中那样寻找如此微小的变化。”

激光干涉仪将氩离子激光束在两面镜子之间来回反射多次。（第 92 页的图纸显示了该方案的通用方法。）当重力波在镜子之间波动时，光路的长度会发生变化，从而导致光电探测器中出现的干涉图案发生变化。许多这样的探测器正处于规划和建造阶段，包括麻省理工学院的探测器（由该领域的先驱 Rainer Weiss 设计）、德国马克斯普朗克天体物理研究所的探测器、格拉斯哥大学的探测器和加州理工学院的探测器。

“格拉斯哥的那个有 10 米长的臂，”德雷弗告诉我，“现在正在工作。我们在加州理工学院研究的那个也有 10 米长的臂，但一旦大楼准备好，就会延伸到 40 米。这将作为一个更大版本的原型——长度从一公里到几公里。”

当然，激光干涉仪也存在工程问题，而且问题会随着仪器尺寸的增大而加剧。激光束必须穿过真空管道，而隔离一公里长的管道并非易事。但德雷弗相信这是可以做到的。“也许我们会把它放在矿井里，或者沙漠里，”他说。这种设备可能在 1986 年准备就绪，德雷弗认为，它最终有机会探测室女座星系团中的超新星。

这种激光探测器的另一个优点是，它们不像谐振天线那样局限于一个狭窄的频率范围，而是对从几赫兹到几千赫兹的宽频带敏感。因此，它们可以探测到一些大规模黑洞事件，这些事件的频率低于超新星的重力波。要探测频率低得多的重力波，比如来自双星系统的重力波，你需要非常长的基线。“大约 15 年后，”雷纳·韦斯说，“我们将需要大型的太空激光系统，比如在太空中使用 10 公里的框架。这样我们就可以避免所有的地震噪音。”

第三种重力波探测器在某种程度上已经存在于太空中。它已用于航天器导航 20 年了。它被称为多普勒跟踪，理论上非常简单。加州帕萨迪纳喷气推进实验室的空间物理和天体物理项目负责人理查德·戴维斯 (Richard Davies) 对其的描述如下：“你从地球向航天器发送一个无线电信号，航天器上的应答器会将信号发回给你。如果重力波穿过太阳系，它会改变两者之间的距离，当你比较发出信号的频率和收到的信号的频率时，你会发现它们是不同的——这就是多普勒频移。然而，与航天器自身速度相比，重力波对这种频移的贡献微不足道。

“我们希望利用行星际飞船和用于追踪它们的深空网络探测频率极低的引力波，频率可能只有千分之一赫兹。这种波可能来自质量为一百万到一千万个太阳的坍缩系统，也可能来自几小时内相互绕行的双星。”

重力波实验原计划在国际太阳极地任务中进行。但据麻省理工学院的欧文·夏皮罗（美国国家科学院空间科学委员会重力物理委员会主席）称，由于预算削减，NASA 放弃了这项实验。

哪种方法能提供引力波的第一个直接证据？什么时候会首次接触？没有人真正知道，引力波探索者本身也极度不敢做出断言和预测。但至少十年内的某个时候似乎有可能。

与此同时，引力波研究正在带来意想不到的回报。“它开启了量子电子学的新篇章，”基普·索恩说，“因为它正在努力突破现代技术的界限，它发明的新技术将在其他领域产生影响；例如，一种使激光频率比以往更稳定的新方法。这对物理学和化学研究都很有用。”

然而从长远来看，对引力波的探索是由所有科学家和全人类的基本动力推动的：看得更远一点，理解得比以前更多一点。

引力波存在的两个间接证据

重力波存在的第一个证据并非来自直接感知，而是来自观察重力波对一种名为双脉冲星的奇异天体行为的影响。脉冲星被认为是一颗快速旋转的中子星，它会以周期性的哔哔声形式发出强烈的无线电信号。但 1974 年，马萨诸塞大学天文学家团队利用世界上最大的射电望远镜（位于波多黎各阿雷西博）发现的脉冲星 PSR 1913+16 却很独特。它的哔哔声以规律的顺序减速和加速，持续约 8 小时。由此，以约瑟夫·泰勒为首的天文学家推断，该脉冲星正在快速绕着另一个非常大的物体（可能是另一颗中子星）旋转。

爱因斯坦的广义相对论预测，这个双星系统会产生大量的引力波，辐射的能量会慢慢地从系统的轨道中被提取出来，随着密度极高的恒星螺旋式地相互靠近，其周期会逐渐缩短。爱因斯坦方程预测，像 PSR 1913+ 16 这样的脉冲星，每年的引力会减少万分之一秒。经过四年的观测，泰勒的团队于 1978 年底宣布，对无线电信号的超精确测量几乎给出了这个数值。这种接近度不仅为引力波的存在提供了良好的（尽管是间接的）证据，而且进一步支持了爱因斯坦的引力理论，使其与一些竞争理论相抗衡。

正如泰勒所说的“原本是一次偶然的发现”，天文学家们有一个测试相对论的理想环境——一个移动的时钟（脉冲星），它有非常精确的滴答声和很高的速度——大约每秒 300 公里。“就好像我们自己设计了这个系统，然后把它放在那里做这个测量一样。”

另一个间接表明引力波确实存在的迹象出现在更近、更引人注目的时期。它源于一个至今仍让天文学家感到震惊的事件。1979 年 3 月 5 日格林威治时间 15 时 52 分 5 秒，一次强度空前的伽马射线爆发从太空某处穿过我们的太阳系。它在整个太阳系的九个不同航天器上触发了探测器上的巨大光斑，这些航天器实际上构成了一个由美国、法国、西德和苏联维护的国际网络。

一生难得的盛事

“3 月 5 日的伽马射线事件非同寻常，”美国宇航局戈达德太空飞行中心的托马斯·克莱恩说，他与同事鲁文·拉马蒂以及其他美国、法国和俄罗斯天体物理学家从那时起就一直在分析它。“它不像过去十年里出现过上百次的伽马射线爆发。这是第一次也是唯一的一次，就像科学家一生中只见过一次的现象。”

由于伽马射线暴是由太空中许多卫星探测到的，天文学家能够用三角测量法确定其来源位置，并将其与可见物体联系起来——这是首次取得这样的成就。该物体是大麦哲伦星云 (LMC) 中一颗代号为 N49 的超新星遗迹，该星系是距离我们约 15 万光年的邻近星系。

拉马蒂、克莱恩和同事们认为伽马射线暴的起源是一颗颤动的中子星——许多理论家认为，这种超致密、超紧凑的物体是超新星爆炸的遗留物。克莱恩告诉我：“我们相信，中子星可以经历类似于雪崩的转变。雪落在山上，直到山崩。

同样，尘埃和其他物质在中子星上聚集，直到它无法承受如此重的重量。然后就会发生恒星地震，要么发生在地壳中，要么发生在核心中。恒星以大约 3,000 Hz 的频率震动，如果你在大气中聆听，你就能听到这个声音。恒星表面（直径只有 5 到 10 英里）上下起伏数英尺，每秒数千次。它的磁层受到震动，这间接产生了伽马射线。但在我们的模型中，这与中子星振荡引起的引力波相比是次要的。

“我们能探测到这些吗？答案是不能。毕竟，这只是恒星最初坍缩（超新星）数千年后的一种余波。这就像大地震后的震动，可能只有大地震的百分之一。”

尽管如此，克莱恩还是打电话给了所有在伽马射线爆发期间可能“在线”的美国重力波实验者，询问他们是否看到了什么。在所有人中，只有约瑟夫·韦伯在 3 月那天有天线在工作，但他什么也没看到。

卫星上的伽马射线探测器无法感应到星震模型预测的 3,000 Hz 频率。克莱恩说，如果它们能感应到，那么这将与引力辐射的存在“有着非常直接的联系”。

但是星震模型做出了另一个预测：产生的重力波应该携带大量能量，远高于伽马射线，因此会很快抑制恒星的振动。戈达德的鲁文·拉马蒂说：“好消息是，预测的重力波衰减时间与我们观察到的完全一致：爆发的主要部分仅持续了 15 百分之一秒，这就是我们根据模型计算的结果。因此，我们现在第二次获得了重力波存在的间接证据。但是，这两者都存在问题，所有间接检验也都存在问题。它们无法取代直接证据。”

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