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從人物到細節引力波背后最完整的內幕故事

2016-02-17 13:57:45 來源：百度百家

　　黑洞碰撞產生的引力波向四周傳播，旅途中隨著距離衰減。在地球上，恐龍崛起，演化，消亡。引力波繼續前進，大概五萬年前，引力波到達了我們的銀河系，正當智人開始取代其近親尼安德特人開始成為地球上最主要的人猿。100年前，愛因斯坦，靈長類物種中進化的最先進的人類的一員，預言了引力波的存在，激發了數十年的猜測和無果的尋找。20年前，一個巨大的探測器開始建設：the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)。終于，在2015年的9月14號，在中午11點(中歐時間)前，引力波到達了地球。Marco Drago，一位32歲的意大利籍博士后學生，全球LIGO科學合作組織的成員，成為第一個注意到它們的人。Marco當時坐在位于德國Hannover阿爾伯特愛因斯坦研究所他自己的電腦前，遠程觀看LIGO的數據。引力波出現在他的屏幕上，就像一個被壓縮了的曲線，不過LIGO裝置著全宇宙最精致的耳朵，可以聽到千億分之一英尺的振動，應該仿佛聽到了被天文學家稱為「蛐蛐叫」的聲音 —— 一聲微弱的由低到高的呼叫。一年之后，在華府的新聞發布會上，LIGO團隊正式宣布那個信號即為歷史上第一個直接觀測到的引力波。

　　當Drago看到信號時，他驚呆了。「當時很難決定該做什么，」他后來告訴我。他通知了一個同事，同事冷靜的通知了位于Livingston，路易斯安那州的LIGO控制中心。消息開始在上千個參與這個項目的科學家中傳播開來。在加州，David Reitze，LIGO實驗室的執行總監，剛送走了女兒去學校，來到了他的加州理工辦公室，馬上就被各種消息淹沒了。「我不記得當時具體說了什么了，」他告訴我說。「大致的反應是，『天哪，這是個什么東西?』」。Vicky Kalogera，西北大學的物理與天文學教授，當時開了一天的會，直到晚餐時才聽到消息。「我老公請我把餐桌布置好，」她說，「可是我完全不理他，只顧著瀏覽一大堆古怪的電子郵件并自問，到底發生了什么事?」Rainer Weiss，已經83歲高齡物理學家，是早在1972年LIGO項目的最初提出者，當時正在緬因州度假。他登陸到系統上，看到了信號，然后大叫道：「我的上帝啊!」，音量如此大驚的他的妻子和成年兒子跑過來看他。

　　合作研究人員立即開始了非常細致繁重的兩遍，三遍，四遍的數據確認。「我們說我們做了約質子直徑千分之一大小的尺度的測量，向我們講述著兩個黑洞在10億年前的合并，」Reitze說道。「這可是一個非同尋常的宣布，需要非同尋常的證據支撐。」與此同時，LIGO科學家們被要求宣誓保守秘密。隨著這一發現的傳言散布開來，從9月份末持續到最近一個星期，媒體的激動進入了尖峰狀態;也開始有關于諾貝爾獎的議論。不過所有的合作者給外界任何詢問這件事的任何人一個統一的簡單的答復——他們仍然在分析數據，還沒到發表結果的時候。Kalogera甚至連自己的丈夫都沒告訴。

　　LIGO由兩個設施組成，相隔1900英里——大約坐飛機需要3個半小時，不過對于引力波只需要萬分之一秒就能到達。位于路易斯安那的探測器，位于Baton Rouge東部的濕地，周圍環繞著商業松樹林;另一個位于華盛頓州的探測器，在全美核廢料數量最多的核設施的西南部，位于沙漠灌木蒿，風滾草，和廢棄的核反應堆之間。在每一處設施，都有兩個12英尺高的互成直角的混凝土管道伸向遠方，從高空看上去像是木工的矩一樣。管道是如此之長，將近2.5英里，他們需要在尾端從地面升起近1碼，來確保管道自身的直線性，與地球表面自身的彎曲分離。

　　LIGO是更廣泛的找尋愛因斯坦廣義相對論難以測量的效應的工作的一部分。這一理論，簡單的說，聲稱時間和空間會在質量面前被彎曲，時空彎曲的效應就是我們日常感受的引力。當兩個黑洞彼此圍繞，它們把周圍的時空伸展和壓縮，就像孩子們在蹦床上跑來跑去，生成可以傳播到周邊的振動;這些振動就是引力波。引力波經常路過我們身邊，來自宇宙中各種源頭，但是引力是比所有其他基本自然作用中更微弱的——電磁作用，比方說，也就是束縛原子的作用——以致于我們幾乎從來感覺不到它們。愛因斯坦曾認為引力波可能永遠都不會被探測到。他甚至兩次宣布引力波不存在，然后一次再一次的修正他自己的預測。當時一個懷疑者曾經評論說引力波好像是靠著「思維的速度在傳遞」。

　　從理論提出開始，過了50年才有人開始建造可以檢測引力波的設備。第一個嘗試這么做的人是一位馬里蘭大學的工程學教授，名叫Joe Weber。他把自己的設備命名為「諧振條天線」。Weber相信鋁制的圓柱體可以被當作鈴鐺，放大微弱的引力波。當引力波撞到圓柱體，圓柱體會輕微的振動，圓珠周圍的傳感器會把這種振動轉化為電信號。為了確保他測量到的不是周圍經過的卡車或者輕微地震的振動，Weber發明了一些保護措施：他將他的條懸置在真空中，他使用了兩個諧振條，位于不同的地點，一個在馬里蘭大學的校園，另一個在芝加哥附近的Argonne國家實驗室。如果兩個諧振條在微小時間間隔中產生同樣的振動，他認為就是可能是引力波造成的。

　　1969年6月份，Weber 宣布了他的諧振條記錄了引力波事件。物理學家和媒體都很激動，《紐約時報》這樣報道：「人類對宇宙的觀測又一新篇章被翻開了。」很快，Weber 開始報道每日都有信號記錄。不過其他的實驗室都沒有產生與他的結果類似的觀察，對他的懷疑開始擴散。到了1974年，很多人都下結論Weber的結果有錯誤。(Weber持續宣稱有新的探測結果，直到他2000年去世為止。)

標簽：引力波內幕細節

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