改变我们看待宇宙方式的引力波,有着怎样的探测历史?

2021-09-14 15:01:29

100多年前,爱因斯坦在广义相对论中提出了“引力波”的概念。此后,在长达半个世纪的求索中,“如何探测黑洞发来的信息”与“谁能率先捕获引力波”成为引力波物理学界竞技的方向。
 2015年9月,来自LIGO的“有趣现象”显示,人类终于捕捉到了引力波。在短短几年之内,引力波天文学就改变了我们对宇宙的看法,证实了我们对这些奇怪理论的理解。 深入引力波社群40余年的科学社会学家哈里·科林斯对这段过往进行了实时记录,讲述了这项迷人的成就诞生的故事。丰富的一手资料让这个故事严谨又立体,而幕后逸事则展现了科学家们的人情味,当然,他也透露了科学界与媒体试图隐藏的内幕。 回顾这段长达半世纪的引力波探测历史,也许更加有助于我们理解今天那些激动人心的发现,特别是来自目前最先进的引力波研究设备引力波探测器LIGO和Virgo的消息。在它们的帮助下,科学家找到了很多宇宙中神奇的自然现象。比如在2017年8月17日,LIGO和 Virgo的合作,首次探测到来自一对合并中子星的引力波,引力波信号伴随着一系列由电磁望远镜识别的对应物,这显然为研究宇宙膨胀史提供了独特的新途径。 就在上个月,一份由美国物理学家发表于预印本网站arXiv的论文中表示,当一个黑洞螺旋进入虫洞时,会在时空中产生一种奇怪的涟漪,而LIGO和Virgo引力波探测器可能会捕捉到这种时空涟漪。虽然目前还没有任何证据证明虫洞的存在,但LIGO和Virgo引力波探测器的表现意味着,如果虫洞真的存在,研究人员很有可能通过引力波探测到它。 以下内容节选自哈里·科林斯所著的《引力之吻》,已获得出版社授权刊发。 《引力之吻》,[英]哈里·科林斯著,青年天文教师连线译,后浪丨北京联合出版公司2020年7月版。
 原文作者丨[英]哈里·科林斯摘编丨安也
利用地基探测器捕捉,使引力波探测成为可能 20 世纪 50 年代末,约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)开始尝试利用地基探测器捕捉引力波。20 世纪 60 年代末到 70 年代初期间,通过重 1 吨以上的圆柱形铝棒的振动,韦伯发表了自己在引力波探测方面的成果。 韦伯的共振棒(resonant bar)坐落于他的母校马里兰大学(University of Maryland),另一台探测器被放置于芝加哥。若是引力波袭来,它就会在两台相距遥遥的探测器上同时留下痕迹。由于仪器时刻在振动,韦伯采用了一个窍门,即对比两台探测器实时输出数据的符合(coincidence,指“同时”)次数和对其中一台的数据进行时间平移后的符合次数,这样一来,源相同的信号就无法形成一个符合了。 
这个方法沿用至今,使引力波探测成为可能。但问题是,我们无法关掉引力波源,因此我们无法让探测器在必要时屏蔽真实信号,以减小引力波对设备的影响。这种开 / 关机状态对于精细观测实验十分重要:当“开机”“关机”状态间存在差异时,我们知道开机期间可能会看到令人感兴趣的现象。然而,如果将两台探测器的信号记录下来,并对数据进行时间平移,那么任何“同时”效应都不可能来自同一个源,因此这种操作等效于将仪器“关机”了;如果对比实时输出数据,看到的同时信号就是来自“开机”模式。这就产生了我们想要的对比!
 韦伯的研究结果卓越,引得同领域的其他研究小组纷纷效仿,不过长话短说,他们都未探测到引力波。事实当然比寥寥几句叙述复杂得多,不止一个小组对可疑信号将信将疑。韦伯则声称,如果其他人用“半个杯子是满的”而非“半个杯子是空的”的心态来看的话,他们的发现就会与自己的研究成果相吻合。 共振棒和低温棒,代表了奋斗在科研前沿的乐观精神 如果不了解之前半个世纪的是是非非,你也许很难清楚地理解最近发生的一切。1975 年左右,只有极少数人还信赖韦伯的研究结果。然而,韦伯发起的是一个 10 亿美元级别的国际性大项目,引力波领域的大部分科学家都将韦伯视为先驱。如果没有他那看似疯狂的探测引力波的尝试,今时今日也许就没有引力波科学这个学科门类了。称之“疯狂”是因为,根据由韦伯发明的关于干涉仪灵敏度与引力波能量的标准计算方法,他根本不可能探测到任何信号。 然而,韦伯依旧决定着手实验,尝试探测。美国国家科学基金会(National Science Foundation)为该项目赞助了数万美元。虽然信号如此弱,且实验从设计上来说也几乎不可能得到探测结果,但很可能,若韦伯未犯错并使物理学界蒙羞(如许多物理学家认为的那样),地基引力波探测就无法迎来腾飞。韦伯的所为逼迫着同行们找到必要的资源,迫使他们“心甘情愿”地踏上寻找引力波的漫漫征路。   其中关键的一步是,即使所有证据都表明韦伯不可能探测到信号,他依旧声称自己捕捉到了引力波的踪迹,而且早在 20 世纪 70 年代初,他就言之凿凿。2000 年韦伯逝世,直到离世,他始终坚信自己曾看到引力波。 之后,人们制造了低温棒(cryogenic bar),其与韦伯的设备类似,但可冷却到液氦的温度,甚至更低。美国(路易斯安那州立大学,Louisiana State University)与意大利(罗马和帕多瓦)是该领域的佼佼者,此外,澳大利亚的珀斯正试着使用干涉仪。从理论上来说(尽管韦伯常常对此质疑),低温棒远比室温下的共振棒灵敏。韦伯也曾启动一个低温棒项目,但是并未完成。一个来自意大利的团队不止一次地发表成果,表明他们用低温棒探测到了引力波,但他们的主张没有站稳脚跟。 
与此同时,通过赖纳·魏斯(Rainer Weiss,又译为雷纳·韦斯)于 20 世纪 70 年代早期对可行性细节的计算,成本更为高昂的干涉仪项目逐渐变得瞩目。随后,一些小型干涉仪项目获得资助,到 1992 年,美国的大型干涉仪项目终于动工,宣告了共振棒时代的落幕。若想了解这场苦涩战役的细节,可参阅《引力之影》。 直到 2015 年秋天,仍有两台低温棒坚持在工作岗位上,它们位于意大利。根据负责其中一台仪器的科学家所述,仪器的探测距离为 5 千秒差距,而根据这个范围计算的事件率显示,每 50 年里大概可以探测到几次超新星爆发或者巨耀发事件。 这位科学家相信,在其他类型的探测器未运行时,低温棒在“天文看更”的岗位上表现出色,而一旦其他任何一台仪器的探测获得证实,那么低温棒关机的日子将至。负责另一台低温棒的科学家则相信,低温棒在探测宇宙射线和可能与暗物质相关的奇特粒子上仍堪重任。如今,干涉仪在引力波探测的舞台上大放异彩,低温棒似乎已全然无望。然而,回顾那个时代,共振棒和低温棒代表了奋斗在科研前沿的乐观精神。 引力波探测器至今未看到任何信号,恰恰代表了理论的胜利 如今,人们很难想象,在引力波探测的前 30 年里,共振棒型探测器才是主流技术。人们也很难想象,引力波科学领域的诞生是多么戏剧化。而其中的故事涉及韦伯—引力波探测毫无成功可能性的年代里的英勇“煽动者”。 
韦伯犯了一些极大的错误。比如,他声称在信号里发现了周期为 24 小时的变化规律,而实际上,真正的信号周期为 12 小时,因为地球对引力波来说是“透明”的,来自正上方和正下方的信号是全同的;再如,不理会对方的怀疑态度,宣称在自己和竞争对手的探测器里同时看到了信号,而对两个探测器位于不同时区这一事实刻意忽视,也就是说,两个信号根本不是同时到达的;一位来自美国的极具影响力的物理学家对韦伯的实验方法和探测结果持异常激烈的反对意见;韦伯发明了一个理论来说明共振棒的灵敏度比最初理论预言的灵敏度高 10 亿倍;一位冉冉升起的理论物理学新星(如今已过世)曾发表论文,证明韦伯的理论不成立,不过之后他的态度却发生了 180 度转变,他在另一篇文章中声称韦伯其实是正确的,这到头来白白损失了自己的信誉;韦伯的信誉在不断下降,但他直到生命的尽头依然不肯放弃自己的主张,甚至到了让他觉得他一定得向我保证他不可能自杀的地步。 随着第一个正面竞争的技术不断发展,低温棒显现效用,然而发现结果随后被否定;提出了使用干涉仪探测引力波的科学家一开始被拒绝资助,而之后,该技术在其他地方发展起来;对干涉仪技术的激烈争夺发生在意大利和美国之间,且到达了白热化的地步;天文学领域对此强烈反对,因为干涉仪技术对资助基金的巨大胃口威胁着其他引力波探测技术,与此同时,言辞尖锐的批评者险些影射学术不端和数据造假;共振棒的技术领头人面临痛苦的抉择,也在分析方法上迟疑不决,这导致友谊终结,以及除非所有人都同意结果,否则竞争对手之间不得对外宣布探测结果;最终,干涉仪项目获得资助,但紧随而来的是首席科学家之间激烈的个人冲突;LIGO 管理层因一位新领导者的到来而分崩离析;另一位更为成功的领导者最终被解雇;掌握新仪器诸多关键技术的天才发明家被排挤出项目,甚至被告知无法再踏入放置着由他搭建起来的原型机的大楼一步;一位来自高能物理学领域的新负责人将 LIGO 从死亡边缘拯救过来;LIGO 项目的大批资深科学家离职;项目验收日期无数次被推迟。 模拟极端太空时间(SXS)项目。
 如今回溯历史,这些故事好似发生在另一个维度中,除了简单的概括语言以外,所有转述读起来都像在看《大话西游》一样。 如果被普遍接受的理论是正确的,那么天体源辐射的引力波理论预言强度与理论预言的仪器灵敏度将在 aLIGO 这一代探测器上大致交会。实际上,正如第一封研究申请书的某个段落里所写的,回过头想想,引力波探测器至今未看到任何信号,这恰恰代表理论的胜利。  该图展示了申请基金时的研究目标,下划线由将材料发给我的科学家标出,该句表示“首次成功探测很可能不是出现在初代 LIGO中,而是出现在新版探测器中”。
 不过,这类声明一般会被归为“细则”。它隐含着一段尘封多年的有关探测可能性的逸事。那个时候,“天文学十年报告”里对在未来几年中探测到引力波这件事充满信心,尽管我们当时仍然处在共振棒探测器时代;LIGO 的灵敏度曲线与 iLIGO 潜在的可探测到的源被绘制在了一起,尽管细则里注明源可能并不存在;从项目建设伊始,两台相距甚远的探测器就共同开工了,而一位资深的专业人士指出,既然 iLIGO 的灵敏度这么低,未探测到有用信号,那不如只建造一台干涉仪,在那台设备上发展技术;一些人提议建造“增强版 LIGO” (Enhanced LIGO)—这个名字如今在相关报告和图表中被归类为初代 LIGO—的一部分动机就是将 LIGO 的灵敏度提升两倍以上,有望成功探测到引力波。 当我指出这个论证存在问题(该结论是从零开始外推得到的)时,一位非常资深的科学家将我推到墙上,冲着我大吼,说我什么都不懂。因此,不管细则里面说了什么,iLIGO 的表现还是让很多科学家感到失望,尤其是那些在立博博彩公司(Ladbrokes)下注,赌 LIGO 会在 2010 年前实现引力波探测的人们—不得不说,赔率相当诱人。不论如何,在理论预言信号存在且下一代探测器定能实现探测的前提下,科学家与资助机构愿意继续付出,他们锲而不舍,这正是人类坚韧品质的伟大胜利。历史由胜利者写就,不久以前还属于尖端科技的棒状探测器,如今似乎彻底无望,连早期的干涉仪现在看来也只是通向这次成功的原型机。这便是事物的规则发生变化的一种方式。 本文节选自《引力之吻》,较原文有删节修改,小标题为编者所加,非原文所有。已获得出版社授权刊发。 原文作者丨[英]哈里·科林斯摘编丨安也编辑丨董牧孜导语校对丨陈荻雁


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