引言：
備受矚目的引力波發(fā)現(xiàn)研究已經(jīng)在國內(nèi)各大媒體得到了廣泛的報(bào)道，但這個(gè)涉及到科學(xué)技術(shù)富弦、歷史、科學(xué)家氛驮、甚至謬誤與運(yùn)氣的豐富故事腕柜，以及里面的戲劇性細(xì)節(jié)，這次還是第一次和大家見面矫废。來媳握，和我們一起，聽一聽這個(gè)有趣的故事的完整版磷脯。
來源 | TheNew Yorker
作者|NICOLA TWILLEY
編譯出品|機(jī)器之心
編譯|趙巍
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十幾億年前蛾找，距離這里有數(shù)百萬個(gè)河外星系之外，兩個(gè)黑洞發(fā)生了碰撞赵誓。它們彼此圍繞旋轉(zhuǎn)了億萬年打毛，好像是求愛的舞蹈，每一圈后都在加速俩功，呼嘯著靠近對(duì)方幻枉。到了它們間距只有幾百英里的時(shí)候，它們幾乎以光速旋轉(zhuǎn)诡蜓，釋放出強(qiáng)大的引力能量熬甫。時(shí)間和空間被扭曲，像是壺里面煮沸的水一樣蔓罚。在不到一秒鐘的分毫瞬間里椿肩，兩個(gè)黑洞終于合并為一瞻颂，它們輻射出比全宇宙的恒星輻射出還多幾百倍的能量。它們生成了一個(gè)新的黑洞郑象，質(zhì)量約62個(gè)我們的太陽一般贡这，面積幾乎和緬因州一樣。在它（新黑洞）平靜下來的過程中厂榛，逐漸形成一個(gè)扁平的球狀盖矫，最后的幾縷顫抖的能量逃離出去。然后時(shí)間和空間再次寂靜了击奶。
黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波向四周傳播辈双，旅途中隨著距離衰減。在地球上柜砾，恐龍崛起湃望，演化，消亡局义。引力波繼續(xù)前進(jìn)喜爷，大概五萬年前冗疮，引力波到達(dá)了我們的銀河系萄唇，正當(dāng)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年前术幔，愛因斯坦另萤，靈長類物種中進(jìn)化的最先進(jìn)的人類的一員，預(yù)言了引力波的存在诅挑，激發(fā)了數(shù)十年的猜測(cè)和無果的尋找四敞。20年前，一個(gè)巨大的探測(cè)器開始建設(shè)：the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)拔妥。終于忿危，在2015年的9月14號(hào)，在中午11點(diǎn)（中歐時(shí)間）前没龙，引力波到達(dá)了地球铺厨。Marco Drago，一位32歲的意大利籍博士后學(xué)生硬纤，全球LIGO科學(xué)合作組織的成員解滓，成為第一個(gè)注意到它們的人。Marco當(dāng)時(shí)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筝家，遠(yuǎn)程觀看LIGO的數(shù)據(jù)洼裤。引力波出現(xiàn)在他的屏幕上，就像一個(gè)被壓縮了的曲線溪王，不過LIGO裝置著全宇宙最精致的耳朵腮鞍，可以聽到千億分之一英尺的振動(dòng)值骇，應(yīng)該仿佛聽到了被天文學(xué)家稱為「蛐蛐叫」的聲音 —— 一聲微弱的由低到高的呼叫。一年之后缕减，在華府的新聞發(fā)布會(huì)上雷客，LIGO團(tuán)隊(duì)正式宣布那個(gè)信號(hào)即為歷史上第一個(gè)直接觀測(cè)到的引力波。
視頻說明：兩個(gè)黑洞的碰撞看上去桥狡，聽上去會(huì)是怎樣的搅裙？
當(dāng)Drago看到信號(hào)時(shí)，他驚呆了裹芝〔看「當(dāng)時(shí)很難決定該做什么，」他后來告訴我嫂易。他通知了一個(gè)同事兄朋，同事冷靜的通知了位于Livingston，路易斯安那州的LIGO控制中心怜械。消息開始在上千個(gè)參與這個(gè)項(xiàng)目的科學(xué)家中傳播開來颅和。在加州，David Reitze缕允，LIGO實(shí)驗(yàn)室的執(zhí)行總監(jiān)峡扩，剛送走了女兒去學(xué)校，來到了他的加州理工辦公室障本，馬上就被各種消息淹沒了教届。「我不記得當(dāng)時(shí)具體說了什么了驾霜，」他告訴我說案训。「大致的反應(yīng)是粪糙，『天哪强霎，這是個(gè)什么東西？』」蓉冈。Vicky Kalogera城舞，西北大學(xué)的物理與天文學(xué)教授，當(dāng)時(shí)開了一天的會(huì)洒擦，直到晚餐時(shí)才聽到消息椿争。「我老公請(qǐng)我把餐桌布置好熟嫩，」她說秦踪，「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(fā)生了什么事椅邓？」Rainer Weiss柠逞，已經(jīng)83歲高齡物理學(xué)家，是早在1972年LIGO項(xiàng)目的最初提出者景馁，當(dāng)時(shí)正在緬因州度假板壮。他登陸到系統(tǒng)上，看到了信號(hào)合住，然后大叫道：「我的上帝按戮！」音量如此之大透葛，驚得他的妻子和成年兒子跑過來看他笨使。
合作研究人員立即開始了非常細(xì)致繁重的兩遍，三遍僚害，四遍的數(shù)據(jù)確認(rèn)硫椰。「我們說我們做了約質(zhì)子直徑千分之一大小的尺度的測(cè)量萨蚕，向我們講述著兩個(gè)黑洞在10億年前的合并靶草，」Reitze說道≡酪＃「這可是一個(gè)非同尋常的宣布奕翔，需要非同尋常的證據(jù)支撐『妫」與此同時(shí)糠悯，LIGO科學(xué)家們被要求宣誓保守秘密帮坚。隨著這一發(fā)現(xiàn)的傳言散布開來妻往，從9月份末持續(xù)到最近一個(gè)星期，媒體的激動(dòng)進(jìn)入了尖峰狀態(tài)试和；也開始有關(guān)于諾貝爾獎(jiǎng)的議論讯泣。不過所有的合作者給外界任何詢問這件事的任何人一個(gè)統(tǒng)一的簡(jiǎn)單的答復(fù)——他們?nèi)匀辉诜治鰯?shù)據(jù)，還沒到發(fā)表結(jié)果的時(shí)候阅悍。Kalogera甚至連自己的丈夫都沒告訴好渠。
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LIGO由兩個(gè)設(shè)施組成，相隔1900英里——大約坐飛機(jī)需要3個(gè)半小時(shí)节视，不過對(duì)于引力波只需要萬分之一秒就能到達(dá)拳锚。位于路易斯安那的探測(cè)器，位于Baton Rouge東部的濕地寻行，周圍環(huán)繞著商業(yè)松樹林霍掺；另一個(gè)位于華盛頓州的探測(cè)器，在全美核廢料數(shù)量最多的核設(shè)施的西南部，位于沙漠灌木蒿杆烁，風(fēng)滾草牙丽，和廢棄的核反應(yīng)堆之間。在每一處設(shè)施兔魂，都有兩個(gè)12英尺高的互成直角的混凝土管道伸向遠(yuǎn)方烤芦，從高空看上去像是木工的矩一樣。管道是如此之長析校，將近2.5英里构罗，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智玻，與地球表面自身的彎曲分離绰播。
LIGO是更廣泛的找尋愛因斯坦廣義相對(duì)論難以測(cè)量的效應(yīng)的工作的一部分。這一理論尚困，簡(jiǎn)單的說蠢箩，聲稱時(shí)間和空間會(huì)在質(zhì)量面前被彎曲，時(shí)空彎曲的效應(yīng)就是我們?nèi)粘８惺艿囊κ绿稹．?dāng)兩個(gè)黑洞彼此圍繞谬泌，它們把周圍的時(shí)空伸展和壓縮，就像孩子們?cè)诒拇采吓軄砼苋ヂ咔煽梢詡鞑サ街苓叺恼駝?dòng)掌实；這些振動(dòng)就是引力波。引力波經(jīng)常路過我們身邊邦马，來自宇宙中各種源頭贱鼻，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，比方說滋将，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邻悬。愛因斯坦曾認(rèn)為引力波可能永遠(yuǎn)都不會(huì)被探測(cè)到。他甚至兩次宣布引力波不存在随闽，然后一次再一次的修正他自己的預(yù)測(cè)父丰。當(dāng)時(shí)一個(gè)懷疑者曾經(jīng)評(píng)論說引力波好像是靠著「思維的速度在傳遞」。
從理論提出開始掘宪，過了50年才有人開始建造可以檢測(cè)引力波的設(shè)備蛾扇。第一個(gè)嘗試這么做的人是一位馬里蘭大學(xué)的工程學(xué)教授，名叫Joe Weber魏滚。他把自己的設(shè)備命名為「諧振條天線」镀首。Weber相信鋁制的圓柱體可以被當(dāng)作鈴鐺，放大微弱的引力波鼠次。當(dāng)引力波撞到圓柱體更哄，圓柱體會(huì)輕微的振動(dòng)靖秩，圓珠周圍的傳感器會(huì)把這種振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。為了確保他測(cè)量到的不是周圍經(jīng)過的卡車或者輕微地震的振動(dòng)竖瘾，Weber發(fā)明了一些保護(hù)措施：他將他的條懸置在真空中沟突，他使用了兩個(gè)諧振條，位于不同的地點(diǎn)捕传，一個(gè)在馬里蘭大學(xué)的校園惠拭，另一個(gè)在芝加哥附近的Argonne國家實(shí)驗(yàn)室。如果兩個(gè)諧振條在微小時(shí)間間隔中產(chǎn)生同樣的振動(dòng)庸论，他認(rèn)為就是可能是引力波造成的职辅。
1969年6月份，Weber 宣布了他的諧振條記錄了引力波事件聂示。物理學(xué)家和媒體都很激動(dòng)域携，《紐約時(shí)報(bào)》這樣報(bào)道：「人類對(duì)宇宙的觀測(cè)又一新篇章被翻開了∮愫恚」很快秀鞭，Weber 開始報(bào)道每日都有信號(hào)記錄。 不過其他的實(shí)驗(yàn)室都沒有產(chǎn)生與他的結(jié)果類似的觀察扛禽，對(duì)他的懷疑開始擴(kuò)散锋边。到了1974年，很多人都下結(jié)論Weber的結(jié)果有錯(cuò)誤编曼。（Weber持續(xù)宣稱有新的探測(cè)結(jié)果豆巨，直到他2000年去世為止。）
Weber的故事塑造了他開擴(kuò)的領(lǐng)域的形象掐场，產(chǎn)生了一個(gè)有毒害的印象往扔，即引力波的尋找者們，后來引用Weiss 的話熊户，都是「說謊者萍膛，沒有謹(jǐn)慎態(tài)度，甚至天知道還有什么惡習(xí)」敏弃。這個(gè)印象在2014年還得到一次強(qiáng)化卦羡，當(dāng)在南極附近的BICEP2望遠(yuǎn)鏡上發(fā)現(xiàn)了好像是大爆炸遺留的引力輻射噪馏；雖然信號(hào)是探測(cè)到一個(gè)麦到，但是后來發(fā)現(xiàn)原來是宇宙塵埃，不是引力波欠肾。Weber身后也留下一批無法復(fù)制Weber生成的結(jié)果的研究人員瓶颠。Weiss，因?yàn)樵谧约旱牡穆槭±砉け究普n程中被無法解釋W(xué)eber 的工作煩惱刺桃，開始設(shè)計(jì)后來的LIGO的原型思想粹淋。「我不能理解Weber想干什么，」他在后來的2000年加州理工編輯的口頭歷史中回顧到桃移，「我不認(rèn)為那個(gè)想法是正確的屋匕。于是我自己開始去找答案〗杞埽」
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在尋找引力波的過程中过吻，「很多的工作是在電話中完成的」，F(xiàn)red Raab蔗衡，LIGO的華盛頓州設(shè)施的負(fù)責(zé)人告訴我纤虽。每個(gè)星期都有討論數(shù)據(jù)的例會(huì)，每?jī)蓚€(gè)星期都有討論兩個(gè)探測(cè)器協(xié)調(diào)工作的例會(huì)绞惦，會(huì)有來自澳大利亞逼纸，印度，德國济蝉，英國還有其它地區(qū)的合作者參與杰刽。」當(dāng)這些人在午夜從夢(mèng)中醒來王滤，他們通常是在夢(mèng)著有關(guān)探測(cè)器的事专缠，」Raab說道∈缙停「這反映著他們和這項(xiàng)工作有多親密涝婉，」他解釋說，這樣才能把這些非常復(fù)雜的由Weiss最初構(gòu)思出來的設(shè)備運(yùn)行好蔗怠。
Weiss的探測(cè)方法和Weber有著極大的不同墩弯。他最初洞見是需要把探測(cè)系統(tǒng)做成L型。想象兩個(gè)人躺在地上寞射，他們的頭挨著渔工，身體形成90度角。當(dāng)引力波通過他們時(shí)桥温，其中一個(gè)人會(huì)被拉長引矩，另一個(gè)人會(huì)被縮短；下一時(shí)刻侵浸，想法的情況會(huì)發(fā)生旺韭。當(dāng)引力波朝著一個(gè)方向拉伸時(shí)空，一定會(huì)在另一方向壓縮時(shí)空掏觉。Weiss的設(shè)備會(huì)丈量這兩個(gè)波動(dòng)的長度区端，在非常大的尺度上來測(cè)量，使用數(shù)英里長的鋼管道澳腹≈危「我不會(huì)就在我的桌子上檢測(cè)到任何東西杨何。」Weiss 說道沥邻。
為了達(dá)到必要的測(cè)量精度危虱，Weiss建議使用光來作為尺子。他設(shè)想在L形狀的拐彎處放置激光源唐全。激光源會(huì)向兩個(gè)管子的尾部發(fā)射兩束激光排苍，在各自尾部會(huì)放置一個(gè)鏡子來反射激光艇纺。光在真空中的速度是常數(shù)苇倡，所以當(dāng)兩個(gè)管子都去除了空氣和其他粒子后光束應(yīng)該同時(shí)在拐彎處重逢扔涧，除非引力波通過這個(gè)結(jié)構(gòu)。在這種情況下近弟，光源和鏡子間的距離會(huì)有小的變化缅糟。既然一束光現(xiàn)在會(huì)旅行比它孿生伙伴更短的距離，它們不再會(huì)在相位上保持一致祷愉，差距越大窗宦，表明引力波越強(qiáng)。這種設(shè)備需要比任何以往的物理設(shè)備敏感幾千倍二鳄，還需要細(xì)微的調(diào)試來提取一個(gè)不斷變?nèi)醯奈⑿⌒盘?hào)赴涵，在地球上充滿無處不在噪音的大背景下做這件事。
Weiss在1972年春天把他的設(shè)計(jì)寫了出來订讼，作為他的實(shí)驗(yàn)室的季度報(bào)告髓窜。這篇文章從未在科學(xué)期刊發(fā)表——畢竟這只是個(gè)設(shè)想，不是實(shí)際的實(shí)驗(yàn)——但是據(jù)Kip Thorne欺殿，參與過《星際穿越》電影創(chuàng)作的著名的加州理工退休物理教授寄纵，這篇文章「是歷史上最優(yōu)秀的一片論文」。Thorne記得是后來才看到Weiss這篇文章脖苏，「如果我早早讀這篇文章程拭，我不會(huì)完全理解它」髋耍」果然恃鞋，Thorne的1973年初版里程碑式的關(guān)于引力的教材中，他還在學(xué)生練習(xí)中請(qǐng)學(xué)生證明通過激光驗(yàn)證引力波存在性的不現(xiàn)實(shí)性亦歉，「不過我很快就改變了自己的看法恤浪。」他后來告訴我鳍徽。
Thorne 的態(tài)度改變發(fā)生在1975年资锰，在華府的一間酒店房間里。Weiss邀請(qǐng)他來與一組NASA科學(xué)家對(duì)話阶祭。那個(gè)會(huì)議的前夜绷杜，兩個(gè)人一起討論，「我不記得當(dāng)時(shí)怎么發(fā)生的濒募，但是我們分享了一個(gè)酒店套房鞭盟，」Weiss說。他們坐在一個(gè)小桌子邊瑰剃，在草紙上寫滿了圖形和方程齿诉。Thorne，在摩門教家庭長大晌姚，喝著Dr Pepper粤剧；Weiss則抽著煙斗，「這個(gè)世界上沒有多少人可以像我們兩個(gè)這樣交流挥唠，因?yàn)槲覀兌荚谶@個(gè)問題上思考了很多年抵恋，」 Weiss回憶道。當(dāng)Thorne 回到他的臥室時(shí)宝磨，天已經(jīng)開始發(fā)亮了弧关。
在麻省理工，Weiss 已經(jīng)開始組裝一個(gè)小的原型唤锉，每個(gè)探測(cè)臂有五尺長世囊。但是他在從系里的管理者那里爭(zhēng)取資助上遇到了困難，因?yàn)樵S多他的同事還對(duì)這個(gè)設(shè)想持有懷疑窿祥。其中一個(gè)懷疑者株憾，一個(gè)著名的天地物理學(xué)家和相對(duì)論專家， Phillip Morrison晒衩，持有非常堅(jiān)定的意見認(rèn)為黑洞不存在——這一看法當(dāng)時(shí)有很多同時(shí)代的人都持有号胚，因?yàn)橹С趾诙吹臄?shù)據(jù)太少了。既然黑洞是理論上僅有的少數(shù)可以產(chǎn)生可觀測(cè)到的引力波的源頭浸遗，Morrison 認(rèn)為Weiss 的設(shè)備沒有可以發(fā)現(xiàn)的東西猫胁。Thorne 在加州理工進(jìn)展更順利些：到了1981年，在加州理工已經(jīng)開始建造一個(gè)探測(cè)臂有130英尺長的原型跛锌。一個(gè)蘇格蘭后裔物理學(xué)家Ronald Drever負(fù)責(zé)原型的建造弃秆，并在建造過程中不斷改進(jìn)Weiss 的設(shè)計(jì)。
1990年髓帽，經(jīng)過了多年的研究菠赚，報(bào)告，講演郑藏，委員會(huì)會(huì)議衡查。Weiss，Thorne還有Drever說服了NSF（國家自然科學(xué)基金）來資助LIGO的建設(shè)必盖。這個(gè)項(xiàng)目將要花費(fèi)2.72億美元拌牲，比任何NSF之前和以后支持的實(shí)驗(yàn)都多俱饿。「這導(dǎo)致了一場(chǎng)激烈爭(zhēng)斗塌忽，」Weiss 說拍埠。「天文學(xué)家非常反對(duì)這個(gè)項(xiàng)目土居，因?yàn)樗麄冇X得這是有史以來最大的金錢浪費(fèi)枣购。」許多科學(xué)家都擔(dān)心LIGO會(huì)吸走別的研究的經(jīng)費(fèi)擦耀。Rich Issacson棉圈，當(dāng)時(shí)一個(gè)NSF的項(xiàng)目官員，起到了關(guān)鍵作用眷蜓，幫助項(xiàng)目啟動(dòng)分瘾。「他和NSF一直支持我們账磺，為此冒了很大的風(fēng)險(xiǎn)芹敌。」Weiss回憶道垮抗。
「這個(gè)東西根本就不合適被建造氏捞，」Issacson后來回憶道∶鞍妫「當(dāng)時(shí)只有幾個(gè)頭腦發(fā)熱的人到處游說液茎，在沒有任何信號(hào)發(fā)現(xiàn)的前提下，討論把真空技術(shù)辞嗡，激光技術(shù)捆等，材料科學(xué)技術(shù)，地震隔離技術(shù)還有反饋系統(tǒng)推倒幾個(gè)數(shù)量級(jí)高于當(dāng)時(shí)技術(shù)的水平续室，甚至需要使用還沒有被發(fā)明出來的材料栋烤。」但是Issacson的博士論文就是關(guān)于引力輻射挺狰，他堅(jiān)信LIGO的理論基礎(chǔ)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿鞴！杆晕移鋵?shí)是引力波領(lǐng)域在NSF安插的內(nèi)線丰泊∈矶ǎ」他開玩笑說。
在他們的項(xiàng)目申請(qǐng)中瞳购，LIGO團(tuán)隊(duì)警告說他們最初的設(shè)計(jì)可能什么都探測(cè)不到话侄。不過，他們爭(zhēng)辯說，只有通過建造一個(gè)不完美的探測(cè)器才能學(xué)習(xí)理解如何建造一個(gè)更好的探測(cè)器年堆⊥毯迹「有足夠的理由相信這個(gè)計(jì)劃不會(huì)探測(cè)到結(jié)果，」Issacson說嘀韧。他說服了NSF就算第一階段檢測(cè)不到信號(hào)篇亭，在這構(gòu)成中帶來的測(cè)量精度的進(jìn)步也值得投資缠捌。在1994年锄贷，探測(cè)器建設(shè)正式破土動(dòng)工。
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經(jīng)過兩年曼月，終于造出了歷史上最敏感的設(shè)備谊却，而且對(duì)除了引力波外的任何其他東西都不敏感。光抽真空就需要40天哑芹。結(jié)果是造出了地球上最純凈的真空環(huán)境炎辨，只有大氣海平面濃度的萬億分之一。不過聪姿，有些干涉幾乎超出了想象力——本地陸地上的風(fēng)聲碴萧，或者臨海的海風(fēng)；供電系統(tǒng)的波動(dòng)帶來的激光純度的波動(dòng)末购；甚至鏡子中原子的不穩(wěn)定破喻；遙遠(yuǎn)的雷電。所有這些都會(huì)被誤認(rèn)為是引力波盟榴，每一個(gè)干涉都需要被排除和控制住曹质。拿一個(gè)LIGO子系統(tǒng)做例子，它可以應(yīng)對(duì)微小的地質(zhì)抖動(dòng)擎场，啟動(dòng)減震功能羽德，用相反的力作用在反射鏡上來抵消，保持鏡子的穩(wěn)定迅办；再舉個(gè)例子宅静，另一個(gè)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)所有有干擾的聲音，包括經(jīng)過的汽車站欺，飛機(jī)姨夹，甚至野外的狼嚎。
「這里還有上萬個(gè)小的細(xì)節(jié)需要考慮镊绪，我真的指上萬個(gè)匀伏，」Weiss 說道『拢「每一個(gè)細(xì)節(jié)都要被完善來確保沒有任何的東西會(huì)干擾信號(hào)够颠。」當(dāng)他的同事們調(diào)試系統(tǒng)的內(nèi)部組件時(shí)榄鉴，他們需要搭建可移動(dòng)的消毒室履磨，清潔他們的工具蛉抓，穿上被他們稱為「兔子裝」的全身工作服——來防止皮膚上的細(xì)胞或者粉塵粒子落到精密的光學(xué)設(shè)備上。
第一個(gè)迭代的探測(cè)器在2001年上線剃诅。下面的九年中巷送，科學(xué)家們測(cè)量并改進(jìn)設(shè)備的性能，完善他們的數(shù)據(jù)分析算法矛辕。同時(shí)笑跛，他們使用在加州理工和德國的原型來開發(fā)更好的反光鏡，激光聊品，地震隔離技術(shù)飞蹂。2010年，探測(cè)器下線翻屈，開始了為期5年陈哑，耗資2億美元的升級(jí)。系統(tǒng)目前隔離如此的好以至于一個(gè)部門經(jīng)理在控制室隔壁發(fā)動(dòng)了他的哈雷摩托伸眶，引力波頻道的科學(xué)家在自己的屏幕上什么都不會(huì)看到惊窖。探測(cè)系統(tǒng)的第二次迭代，高級(jí)LIGO系統(tǒng)厘贼，可以最終探測(cè)比上一代大一千倍的空間區(qū)域界酒。
一些最困難的工作發(fā)生在鏡子上。根據(jù)Reitze涂臣，這些是世界上最好的鏡子盾计，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何的同類。每一面鏡子都有一尺寬赁遗，重90磅署辉，被磨成精度到一億分之一英尺的完美的球面鏡。（一面鏡子的造價(jià)約100萬美元岩四。）開始時(shí)哭尝，鏡子們被懸在一圈鋼線上。升級(jí)后剖煌，它們被連接在一個(gè)鐘擺系統(tǒng)上材鹦，來隔離地質(zhì)抖動(dòng)的影響。連接它們的是溶化硅纖維——基本成分就是玻璃——足夠強(qiáng)壯來承受鏡子的重量耕姊，但是很容易破碎桶唐。「我們出過一次事故茉兰，一個(gè)螺絲刀掉下來尤泽，刮到了硅纖維，結(jié)果整個(gè)鏡子都掉了下來∨髟迹」Anamaria Effler熊咽，一個(gè)過去在那里工作過的運(yùn)轉(zhuǎn)專業(yè)技術(shù)人員告訴我。纖維的優(yōu)點(diǎn)是它的純度闹丐，根據(jù)格拉斯哥大學(xué)的Jim Hough横殴，「當(dāng)你彈一下威士忌杯子，它會(huì)發(fā)出漂亮的振動(dòng)聲卿拴；溶化的硅比威士忌杯子還好衫仑，更像是撥動(dòng)小提琴的琴弦」音符是如此的薄可以用LIGO的信號(hào)處理軟件把它過濾掉，又一個(gè)干擾排除了巍棱。
準(zhǔn)備高級(jí)LIGO的工作比想象的進(jìn)展得慢到踏，所以更新的改進(jìn)的設(shè)備的投入使用時(shí)間被推遲了幾天，到2015年9月18日尚猿。Weiss被從波士頓叫來確定一個(gè)頻率干涉的源頭窝稿。「我到了那里凿掂，被嚇壞了」他說伴榔。「這個(gè)干涉到處都是庄萎∽偕伲」他建議進(jìn)行一個(gè)星期的修理來處理，但是項(xiàng)目的總負(fù)責(zé)人拒絕了這一延誤糠涛，不想再耽誤一天的觀測(cè)時(shí)間援奢。「感謝上帝他們沒有讓我那么干忍捡，」Weiss 回憶集漾。「我會(huì)導(dǎo)致讓整個(gè)系統(tǒng)在信號(hào)出現(xiàn)時(shí)下線砸脊！」
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9月13號(hào)是個(gè)星期天具篇，Effler在華盛頓州的設(shè)施和另一位同事整整忙了一天，完成一些列的最后測(cè)試工作凌埂∏裕「我們大喊大叫，我們搖晃東西，敲打東西秒紧，引入磁鐵干擾绢陌，做了各種事情，」她回憶說熔恢∑晖澹「不出所料，每件事都花費(fèi)了比預(yù)期更多的時(shí)間叙淌〕诱疲」終于在凌晨4點(diǎn)，只剩下一個(gè)測(cè)試要做——模擬附近的卡車司機(jī)踩剎車——他們終于決定收工鹰霍。他們開車回家了闻鉴，只留下設(shè)備靜靜的采集數(shù)據(jù)。引力波信號(hào)沒等多久就到了茂洒，在凌晨4點(diǎn)50分孟岛，當(dāng)?shù)貢r(shí)間，相差只有7微秒分別通過了兩個(gè)探測(cè)器督勺。距離高級(jí)LIGO的正式啟動(dòng)還有四天時(shí)間渠羞。
引力波被如此早的探測(cè)到引來了很多迷惑和質(zhì)疑≈前В「我告訴所有人我們直到2017年獲2018年才會(huì)探測(cè)到任何東西次询，」Reitze說。 Janna Levin瓷叫，哥倫比亞大學(xué)的天體物理教授屯吊，沒有參加LIGO合作研究，也感到非常吃驚摹菠『行叮「當(dāng)傳言開始時(shí)，我的反應(yīng)是：別逗了辨嗽！」她說世落，「他們連鎖才剛上好！」糟需。再說這個(gè)信號(hào)實(shí)在是太完美了屉佳。「我們絕大多數(shù)人認(rèn)為洲押，當(dāng)我們看到這個(gè)信號(hào)時(shí)武花，它將是從非常多的計(jì)算機(jī)和計(jì)算周期后中從噪音中拉出來的信號(hào)，」Weiss認(rèn)為杈帐。大多數(shù)人認(rèn)為這個(gè)信號(hào)是某種測(cè)試体箕。
LIGO團(tuán)隊(duì)包括一小組人員专钉，專門制造隱藏的信號(hào)注入——虛假的引力波證據(jù)——作為對(duì)科學(xué)家工作的監(jiān)督。盡管每個(gè)人都認(rèn)識(shí)這個(gè)四人小組的成員累铅，「我們都不知道什么樣的信號(hào)跃须，在何時(shí)，以及是否被注入娃兽，」Gabriela Gonzalez菇民， 合作研究的發(fā)言人說。當(dāng)LIGO的最早的2010年的運(yùn)行中投储，探測(cè)器撿到了好像是很強(qiáng)的信號(hào)第练。科學(xué)家們緊張的分析了六個(gè)月玛荞，最后認(rèn)為是來自河外星系Canis Major的引力波娇掏。就在他們想把發(fā)現(xiàn)投到科技期刊之前，他們被告知這個(gè)信號(hào)是被注入的假信號(hào)勋眯。
這一次婴梧，隱藏信號(hào)小組發(fā)誓他們和這個(gè)信號(hào)沒有任何關(guān)系。Marco Drago認(rèn)為他們的否認(rèn)可能是測(cè)試的一部分凡恍，不過Reitze自己志秃，作為四人小組的成員，有另外的擔(dān)心嚼酝。「我的擔(dān)憂是——你可以理解為這是我們對(duì)做出任何虛假發(fā)現(xiàn)的本能畏懼——有沒有其他的人惡意的在搗亂竟坛？」他說闽巩，「會(huì)不會(huì)是其他人在我們的探測(cè)器里偽造了一個(gè)信號(hào)，我們沒有人知曉担汤？」Reitze涎跨，Weiss，Gonzalez還有其它幾個(gè)人考慮了誰還出于對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)算法的全面了解有可能制造這個(gè)假信號(hào)崭歧。他們只找到4個(gè)人選隅很，其中沒有一個(gè)人有任何動(dòng)機(jī)去這樣做÷誓耄「我們深入盤問了這些人叔营，」Weiss 說，「結(jié)論是所宰，他們沒有做這件事绒尊。」最后仔粥，他說婴谱，「我們接受了最經(jīng)濟(jì)直接的解釋：這是一對(duì)黑洞造成的蟹但。」
LIGO合作研究機(jī)構(gòu)的每一個(gè)分部門開始確認(rèn)這一探測(cè)的有效性谭羔。他們檢查每一件設(shè)備是怎么設(shè)定和校準(zhǔn)的华糖，每一行軟件代碼都分析，編輯了一個(gè)單子列出所有可能的環(huán)境干擾瘟裸，從大氣電離層的振蕩到太平洋沿岸的地震缅阳。（「當(dāng)時(shí)有一個(gè)很強(qiáng)大的發(fā)生在非洲的閃電，」Stan Whitcomb景描，LIGO首席科學(xué)家告訴我十办。「不過后來磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x顯示它沒有足夠的干擾可以產(chǎn)生這個(gè)信號(hào)超棺∠蜃澹」）最后，他們確認(rèn)了這個(gè)探測(cè)結(jié)果滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)的5西格瑪門檻棠绘，這是宣布任何物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)件相。換句話說，這意味著這個(gè)探測(cè)結(jié)果只有3百50萬分之一的概率是由隨機(jī)事件造成的氧苍。
9月14號(hào)的發(fā)現(xiàn)夜矗，現(xiàn)在正式命名為GW50914，已經(jīng)附帶來好幾個(gè)非常重要的天體物理發(fā)現(xiàn)让虐。舉例說紊撕，它是第一個(gè)觀測(cè)證據(jù)說明雙黑洞對(duì)的存在。直到現(xiàn)在赡突，這只是理論上的可能性对扶，因?yàn)楹诙赐淌伤兄車墓猓寕鹘y(tǒng)望遠(yuǎn)鏡無法觀測(cè)到惭缰。引力波是唯一可以逃出黑洞的壓倒性的引力場(chǎng)的信息浪南。
LIGO科學(xué)家已經(jīng)從這個(gè)信號(hào)中提取出令人驚訝的信息，包括源頭的黑洞的質(zhì)量漱受，軌道速度络凿，它們邊界接觸的時(shí)刻。它們比想象的質(zhì)量大很多昂羡，這個(gè)驚訝地發(fā)現(xiàn)絮记，如果被以后的引一步觀測(cè)印證，將會(huì)幫助解釋各個(gè)銀河中心的神秘的超級(jí)體量黑洞是如何形成的紧憾。研究團(tuán)隊(duì)還量化了黑洞的ringdown——三個(gè)能量脈沖在最終的合并后的新的更大的黑洞在球形化過程中釋放出來——也就是說黑洞在合并后把自身的不完美部分通過引力波輻射出來到千。
這次檢測(cè)還證實(shí)了愛因斯坦關(guān)于這個(gè)物理宇宙的另一個(gè)特性的想法。盡管他的理論主要是關(guān)于引力赴穗，以前理論主要是在我們自己的太陽系進(jìn)行檢驗(yàn)憔四，在這里引力的主導(dǎo)效應(yīng)比較弱膀息。「你僅在你爬樓梯的時(shí)候才會(huì)想起地球的引力了赵，」Weiss 說潜支，「但是，對(duì)于物理學(xué)來說柿汛，引力的效應(yīng)相比之下只是個(gè)小角色冗酿，非常微弱，沒有什么影響络断〔锰妫「在黑洞附近就不同了，引力在那里是宇宙中最強(qiáng)的作用力貌笨，可以把原子撕碎弱判。這些愛因斯坦在1916曾預(yù)言過，LIGO的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示愛因斯坦的方程和實(shí)際觀測(cè)幾乎是完美的一致锥惋〔「他究竟怎么能知道這點(diǎn)？」Weiss 問道膀跌≡馍蹋「我多么希望在那個(gè)早晨可以把數(shù)據(jù)拿給他看，看看他臉上的反應(yīng)捅伤〗倭鳎」
自從9月14號(hào)的發(fā)現(xiàn)，LIGO繼續(xù)觀察到可以作為引力波候選的信號(hào)暑认，盡管這些信號(hào)沒有第一個(gè)信號(hào)那樣具有戲劇性困介。「我們一開始這樣折騰都是因?yàn)殚_始這個(gè)大信號(hào)蘸际，」Weiss 說道⊥椒觯「不過粮彤，我們非常高興還有別的，強(qiáng)度小一些的信號(hào)姜骡，說明我們最開始的發(fā)現(xiàn)不是單一的导坟，瘋狂的，神經(jīng)質(zhì)的事件圈澈”怪埽」
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幾乎所有科學(xué)家得到的關(guān)于宇宙的知識(shí)都是來自電磁光譜類實(shí)驗(yàn)。400年前康栈，伽利略用他自制的望遠(yuǎn)鏡開始探索可見光的世界递递。從那時(shí)開始喷橙，天文學(xué)家們把觀測(cè)設(shè)備的能力不斷提升。他們學(xué)會(huì)了觀測(cè)無線電波段和微博波段登舞，紅外波段和紫外波段贰逾，X射線，伽馬射線菠秒，揭示了船底座星云中恒星的誕生疙剑，土星第八個(gè)衛(wèi)星上面噴泉的噴射，找到了銀河系的中心位置践叠，探測(cè)到了類似地球的行星的位置言缤。但是95%的宇宙是無法用傳統(tǒng)的天文學(xué)手段觀測(cè)到的。引力波可能還無法探測(cè)了解所謂的占據(jù)了大部分不可見宇宙的暗能量禁灼，但是它們可以幫助我們用前所未有的方式去巡查時(shí)空管挟。「這是一種全新的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)匾二，」Reitze說道哮独。「意味著我們有了一個(gè)新的天文學(xué)領(lǐng)域要去探索察藐∑よ担」如果我們過去見證到的是一個(gè)無聲電影，Levin說分飞，引力波現(xiàn)在把我們的宇宙轉(zhuǎn)變成了一個(gè)有聲屏幕悴务。
碰巧的是，LIGO可以檢測(cè)到的引力波波段的頻率落在了人類可以聽得到的頻段譬猫，在35～250赫茲之間讯檐。當(dāng)這個(gè)「唧唧叫」到達(dá)地球的時(shí)候，已經(jīng)變的很輕很輕染服，LIGO只能夠采集到不到十分之二秒的黑洞數(shù)十億年前的合并别洪，不過通過一些簡(jiǎn)單的聲音處理，這個(gè)事件聽上去像一個(gè)滑音柳刮⊥诙猓「用你的手指背面的指甲尖，在鋼琴鍵盤上從最低音A滑動(dòng)到中音C秉颗，你就可以聽到這個(gè)信號(hào)痢毒。」
不同的天體會(huì)發(fā)出它們自己特有的引力波蚕甥，意味著LIGO和它后面的系統(tǒng)將會(huì)聽到一個(gè)宇宙交響樂哪替。「雙中子星聽上去像短笛菇怀，」 Reitze說凭舶。隔離的旋轉(zhuǎn)的脈沖星晌块，他說，可能會(huì)發(fā)出一個(gè)單音調(diào)的「犊饪欤」摸袁，像三腳鐵的聲音，黑洞則是樂隊(duì)中的弦樂义屏，從雙低音向上靠汁，取決于他們的質(zhì)量。LIGO闽铐，他說蝶怔，將只能聽到小提琴和中提琴；由超級(jí)巨型黑洞發(fā)出的引力波兄墅，比如位于銀河系中心的黑洞踢星，需要等待未來擁有不同敏感度的探測(cè)器。
好幾個(gè)這樣的探測(cè)器已經(jīng)在籌備中了隙咸，有些已經(jīng)開始建設(shè)了沐悦，包括愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡，一個(gè)歐洲的項(xiàng)目五督，它的地下的探測(cè)臂將比LIGO兩倍還要長藏否，還有一個(gè)基于太空的三個(gè)設(shè)備組成的集群，叫做eLISA充包。(歐洲航天局副签，在NASA的協(xié)助下，已經(jīng)在12月份發(fā)射了實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星基矮，驗(yàn)證LISA的新技術(shù)淆储。）其他的探測(cè)器已經(jīng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，包括前面提到的BICEP2望遠(yuǎn)鏡家浇，雖然它最初發(fā)現(xiàn)的事假信號(hào)本砰，仍然可能發(fā)現(xiàn)宇宙早期的引力波的回聲。Reitze 的希望是钢悲，LIGO的發(fā)現(xiàn)將會(huì)鼓勵(lì)更多的對(duì)這一領(lǐng)域的投資灌具。
高級(jí)LIGO的首批觀測(cè)任務(wù)到了1月12號(hào)就結(jié)束了。Effler和其他的任務(wù)團(tuán)隊(duì)成員已經(jīng)開始了又一輪的改善升級(jí)譬巫。探測(cè)器已經(jīng)要接近它最大的設(shè)計(jì)精度了；兩到三年內(nèi)督笆，它可能會(huì)每天都記錄引力波事件芦昔，在這過程中采集更多的數(shù)據(jù)。下半年夏天末尾時(shí)系統(tǒng)會(huì)再次上線娃肿，傾聽更多的來自天外的我們還未想象到的音樂咕缎≈槭「我們?cè)陂_啟一個(gè)面向宇宙的新窗戶，這個(gè)窗戶和以往所有的窗戶都非常不同凭豪，我們對(duì)什么東西會(huì)通過這個(gè)窗戶進(jìn)來也很無知焙蹭，」 Thorne說道，「一定會(huì)有更大的驚喜等待著我們嫂伞】桌鳎」
英文原題《Gravitational Waves Exist: The Inside Story of How Scientists Finally Found Them》，點(diǎn)擊文末“閱讀原文”可查看帖努。本文由機(jī)器之心原創(chuàng)編譯撰豺，《知識(shí)分子》獲授權(quán)刊載。
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