Sunday, July 8, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十八):引力波带来的宇宙声光大秀

人类自古便仰望星空,用肉眼观赏、辨识满天的繁星。伽利略(Galileo Galilei)在十七世纪初率先用自制的望远镜指向天体,大大地扩展了视野。麦克斯韦尔之后,物理学家知道光只是电磁波的一部分,在可见光之外还有着精彩的世界:从低能的射电、微波、红外线到高能的紫外线、X射线、伽玛射线,我们的“眼睛”越睁越大,“看到”的越来越多,对宇宙的认识也越来越全面。但直到2015年9月14日之前,我们还仅限于“仰望”,即依赖于电磁波给我们带来的“视觉”信息。

引力波是一个全新的信息载体。与在时空中传播的电磁波不同,引力波是时空本身的脉动。由于这种波动在意象上与在空气中传播的声波有一些类似之处,人们自然地将引力波与声音做类比。正如韦斯当年领悟的那样,LIGO探测到的引力波频率与他酷爱的钢琴乐声重合。在记者会上,他们也将测得的引力波信号直接播放,称之为“黑洞合并时发出的声音”。

于是,“时空乐章”、“引力波涟漪”、“宇宙回响”等与声音有关的华丽辞藻被普遍用来描述引力波的发现。虽然这只是一个类比,但人类确实是打开了一条新的“听觉”渠道:我们不再只是睁眼仰望星空,也能够同时竖起耳朵聆听天籁之音。

这便是沃格特领衔提交给国家科学基金会的申请中引述马基雅维利的诗句所体现的,LIGO的使命是革命性地“引入一个全新的秩序”。赖茨后来在记者会上稍微低调了一点,指出LIGO的成功完成了“天文学从无声电影到有声电影的过渡”。


比令在1989年开始他的引力波探测时曾向同事保证他不会在看到引力波之前死去。2016年时,101岁的比令又聋又瞎,独自住在养老院里。当后辈带着好消息来看望他时,他似乎短暂地恢复了记忆,喃喃道,“啊,引力波。我已经忘记了这么多事情。”一年后,比令去世。

虽然没到那样的高龄,进入老年的布拉金斯基退休后一直与疾病缠斗,同样挣扎着要活到看到引力波的那一天。得愿后不久,他于2016年3月29日辞世,终年84岁。他在莫斯科大学的团队一直是也继续是LIGO的一支主力部队。

德瑞福也在苏格兰的养老院中颐养天年。他已经完全陷入老年痴呆,浑然不知世事。护士将他推到转播LIGO记者会的电视机前时,似乎看到他的昏昏老眼里闪出一丝光亮。2016年9月,索恩在去欧洲领奖时特意绕道到爱丁堡拜访了德瑞福,居然还交谈了良久。德瑞福的弟弟说那是他少有的神志清醒的一天。索恩倍感欣慰地发现德瑞福明白他们已经成功探测到引力波。两个老人贴心叙旧,共同回忆当年为LIGO奋斗的岁月。

2017年3月7日,德瑞福去世,终年85岁。他的家人将其遗产五十万英镑捐献给格拉斯哥大学,设立了德瑞福奖学金,每年资助一名研究生的学业。


LIGO在2015年9月探测到引力波,经过四个多月的核实才在2016年2月11日宣布。这当然是出于他们的谨慎和负责。他们当时不会想到的是,这段拖延无意中为诺贝尔奖委员会解决了一个棘手的难题。

每年诺贝尔奖的提名截止日是1月31日。LIGO正好错过,无缘2016年的诺贝尔奖。在接下来的一年里,LIGO的成就几乎揽括了科学界所有沾得上边的奖(包括中国的“复旦—中植科学奖”和香港的“邵逸夫奖”)。这些奖项的颁奖对象略有不同,基本上都有韦斯和索恩两员主将,有些包括了德瑞福,有些则包括巴里什,还有的干脆颁发给整个团队。

诺贝尔奖比较死板。当初诺贝尔在设立奖金的遗嘱中规定了几个条件,包括获奖者必须是个人、而且是在世的活人,每项奖的获奖者不得超过三人。这两个条件一直被除和平奖以外的奖项顽固地坚持着,即使其它一些“不方便”的条件(比如获奖的应该是当年或最近的工作)早已被束之高阁。

发现引力波的成就应该获得诺贝尔奖是毫无疑问的理所当然。韦斯、索恩、德瑞福、巴里什四个主要角色如何取舍成三名获奖者却是一个人为的困境。在德瑞福去世之前,有些媒体已经提前为巴里什可能的落选鸣不平,认为他力挽狂澜的壮举和项目管理的卓越不应被忽视。

德瑞福的去世大概让诺贝尔奖委员会成员大大地松了一口气。2017年10月3日,他们顺理成章地宣布将当年物理学奖颁发给韦斯、索恩和巴里什三人。为了突出韦斯在干涉仪设计中的原始贡献,他独自获得一半奖金。索恩与巴里什平分另一半。
韦斯、索恩、巴里什(从右到左)荣获2017年诺贝尔物理学奖。


还在LIGO通过记者会向全世界宣布他们的重大发现之前,他们的两个干涉仪已经分别在2015年10月12日、12月26日两次探测到新的引力波信号。因为需要集中精力查证9月的那第一个信号,这些数据被暂时搁置,直到2016年6月15日才公开。10月12日的信号的统计意义比较弱,没有被正式确认为引力波。12月26日那次则被认定为另一例黑洞的合并。这次是两个分别为14.2和7.5太阳质量的“小”黑洞合并。它们距离也远一些,来自14亿光年之距。因为黑洞的质量比较小,LIGO得以观察到两个黑洞相互绕行27圈的“缓慢”旋进。合并后的黑洞有20.8太阳质量,只有0.9太阳质量被转化为引力波。

捕捉到这个信号之后不久,LIGO的第一次测量运行(O1)也于2016年1月19日结束。两个干涉仪关机下线,进行仪器调试改进。O1只持续了短短的四个月,但已经成果斐然。

经过将近一年的离线调试,原来在灵敏度上稍逊一筹的利文斯顿干涉仪有了显著的提高,反超汉福德。后者的灵敏度没能得到进一步改进,却也有了更好的信噪比。2016年11月30日,第二次测量运行(O2)正式开始。不久,他们便又在2017年1月4日、6月8日两次测得新的黑洞合并所发的引力波信号。

2017年8月1日,意大利的aVirgo终于完成了升级,加入探测行列。8月14日,地球上第一次有三个干涉仪同时探测到引力波,实现了对引力波来源的三点定位。(德国的GEO600因为灵敏度不足,迄今尚未探测到任何引力波。)

韦斯当年为LIGO命名时,曾因为这个名称中含有“天文台”的字眼与天文学界发生冲突,不得不解释他们这个项目并不真的是传统意义的天文台。随着这一系列观测结果的持续出现,他们这时倒已经成为一个名副其实的引力波天文台。与此同时,新闻媒体却已经不再有兴趣跟踪报道这些新发现,引力波已经演变为没有新闻价值的家常便饭。

而当年持怀疑、反对态度的天文学家们也早已捐弃前嫌,进入为了人类科学大事业共同合作的新时期。很快,他们也收获了欣喜的回报。


当我们的耳朵突然听到附近意外的声响时,我们会自觉或不自觉地转头观看,试图用眼睛发现这个声响的来源并获取耳朵无法分辨出的更多信息。LIGO很早就认识到,单独用干涉仪倾听引力波并不全面,也需要同时睁开眼睛,细察双星合并的精彩。

凝听宇宙的干涉仪与我们的耳朵还有一个很相似的地方:可以耳听八方。仰躺在地球表面的干涉仪能够听到来自各个方向的引力波(只是不同方向上的灵敏度略有差异)。相反,我们现有的各种光学、射电、X射线、伽玛射线等电磁波望远镜却也与我们的眼睛类似:只有非常有限的视角,只能在对准光源后才能接收到信号。

因此,干涉仪更适合于最初的发现。当他们“听到”信号后,如果可以指挥其它望远镜“转头”寻找来源,则可能“看到”更多、更详细的信息。

1960年代,美国军方发现他们的间谍卫星有时会遭到为时短促的伽玛射线束“攻击”。经过大概十年的研究才确认这个威胁其实来自宇宙空间,非敌方的人类所为。天文学家猜测那是某些大质量星体甚至黑洞爆炸、碰撞等“宇宙事件”的产物,但苦于无法确证。所能作的只是试图获取更多的信息。

1990年代中期,天文学界开始对偶然发生的伽玛射线、X射线爆发事件进行统一协调的多方位、多渠道观测。地球表面和大气层外的人造卫星上的很多具备远程控制功能的望远镜已经实现联网。一旦某个望远镜接收到不明来源的突发性信号,立即会把坐标自动“群发”给其它伙伴。顿时,世界各地以及外空中的上百架望远镜可以一齐指向那个方向,试图捕捉同一事件的伴随信号。

从一开始,LIGO科学合作组织便加入了这个联网,准备利用他们耳听八方的优势帮助天文学家寻找目标。不过,2015年9月14日的第一个发现来得太突然,这些自动协调的机制尚未到位。冈萨蕾斯等人只好亲自打电话通知天文台的朋友,请他们临时“转头”观测,结果一无所获。随后的几次引力波的发现开始了实时引导天文望远镜的观测,也同样地没有成果。

这其实属于意料之中。干涉仪所发现的五次引力波都来自黑洞的碰撞合并,整个过程始终是在黑洞强大的引力场内进行,没有什么物质——包括电磁辐射——可以逃逸。因此除引力波之外并不能指望有其它的信号可以被观测到。(当然,这并不是说天文学家不需要去尝试,因为新的科学发现往往会出现在意料之外。)

当黑洞的合并已经习以为常后,LIGO的科学家翘首以盼的是能够发现中子星的合并。中子星没有黑洞那么强的引力场,其合并过程会伴随着强大的电磁辐射。虽然合并本身的过程极其短暂、发射的引力波脉冲稍纵即逝,但可见光、伽玛线、X射线等往往是在合并时星体物质高速碰撞、被抛射时和之后才发生,因此时间上有一定迟疑,辐射的过程也比较长,正好给地球上的望远镜提供“转头”寻找的时机。

这个机会终于在2017年8月17日出现。也就是三个干涉仪同时发现黑洞合并的三天后,三剑客又同时获得新的信号。与前五次不同的是,这是人类第一次直接探测到双中子星合并的引力波。

这个信号首先到达意大利的Virgo,然后在22毫秒后来到利文斯顿,再3毫秒后通过汉福德。与黑洞合并时探测到的不到一秒钟的脉冲不同,质量小的中子星合并是一个相对缓慢的过程,探测到的引力波信号持续了约100秒。分析表明这是两个质量稍大于太阳的中子星合并,产生了一个2.7太阳质量的新黑洞。这次合并发生在大约1亿3千万光年的距离,相对来说是比较近的。
LIGO公布的2017年8月17日双中子星合并的基本科学数据。

引力波过去1.74秒后,在地球上空轨道上运行的美国费米伽马射线太空望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope)探测到一组历时约2秒的伽马射线风暴。

LIGO和费米望远镜都及时发出了预警。在他们联合定位的引导下,地球上多个光学观测组在其后的数小时内集中搜寻,在指定范围内发现了一个新的光源,犹如那里短暂地出现了一颗新的星星——那便是双中子星合并后的残余。位置确定后,地球上大约70个不同的望远镜都瞄准了那颗新星,进行射电、红外、可见光、紫外、X射线、伽玛射线的全方位持续观测。

欧洲南半球天文台(European Southern Observatory)的“非常大望远镜”(Very Large Telescope)连续跟踪观测了12天。双星合并之初,可以观测到相对很强的光亮,最明亮的是在从绿光到橙光的可见光频段。随着时间的流逝,总体光强逐渐减弱,最明亮的区域慢慢地移向能量小的红光、红外。11天后,新星消失,不再能观察到。
“非常大望远镜”对2017年8月17日发现的双中子星合并的11天跟踪测量的紫外、可见光、红外(从左往右)频段光谱。横坐标是波长,纵坐标是亮度。曲线上的数字标注合并后的天数。

10月16日,共囊盛举的世界各地天文学家集体对外公开这一次不寻常的观测,同时发表了几十篇论文,从各种角度报告观测的结果。颇具代表性的是一篇题为《双中子星合并的多信使观测》(Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger)的论文,署名有3千多位共同作者,在天文领域属于绝无仅有。

“多信使”一下子成为时髦的新闻用语。这次观测标志着人类摆脱了“仰望星空”的单一依赖电磁波作为信息载体(信使)的局限,在“看”的同时也能“听”到另一个信使——引力波——带来的消息。这是LIGO所带来的又一个划时代的突破。(比较遗憾的是,在电磁波和引力波之外,这次的合并事件中没有接收到相应的中微子束,因此没能实现更全面的多信使观测。这应该是因为合并时中微子的发射方向没有指向地球。)

双中子星合并的引力波与初始的伽玛射线风暴几乎同时抵达地球,证实了广义相对论中引力波以光速传播的预言。(伽玛射线稍微滞后将近2秒,是因为它们发出的时间上有差异。)这也是我们第一次有确切的证据表明过去观测到的短促伽玛射线“攻击”的确来自双中子星合并。

光学望远镜的测量也揭示了诸多从引力波无法“听到”的信息。通过光谱分析可以知道中子星合并时产生了大量铅、金、铂等重金属元素,解决了天文学中一个历时悠久的疑问。物理学家已经知道,通过恒星内部的热核反应,原始的氢元素能够逐级聚变产生氦、碳、氧等元素。但重金属元素的来源一直无法确定。这次的发现令科学家相信,我们地球上——整个宇宙中——的所有金子,以及制造原子弹的铀和钚、日常电器中不可或缺的稀土元素等等,可能绝大部分都来自远古某些双中子星的合并。

天文学进入了一个新的纪元。


2017年8月25日,双中子星合并发现的11天后,运行了近九个月的O2结束了。LIGO的干涉仪再度下线维修、改进。目前我们还不知道下一轮的测量运行(O3)会在什么时候重新启动,又会带来怎样的惊喜。


(待续)



Thursday, July 5, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十七):终识引力波真面目

2015年9月25日,亚利桑那州立大学的物理学家克劳斯(Lawrence Krauss)教授在社交媒体推特(twitter)上冷不丁地发出一条消息,说有传言LIGO已经探测到引力波,如果确实的话会很惊人。克劳斯是著名的科普作家,他在推特上拥有近49万粉丝。
克劳斯在2015年9月25日发的推特。
他没有透露消息的来源。


升级版的aLIGO是在2010年安装完毕的。在这场脱胎换骨中,干涉仪内部的所有仪器被全部拆除,改换成更先进的版本。神奇的是,他们如此之大手术却没有破坏干涉仪长臂中那庞大体积内极高的真空。这个真空状态自1998年形成后就一直持续地维持着。LIGO主任赖茨骄傲地总结道:“我们更换了所有的东西,除了没有的东西。”(We changed everything, except for nothing.)

当初的iLIGO在安装完毕后曾经花了十来年才调试到10-21的设计灵敏度。有了那个摸索过程的基础和经验,aLIGO安装完毕后只用了几个月的时间便超过了那个灵敏度。及至2015年9月,两个干涉仪的灵敏度就都达到iLIGO的3倍。这还没有达到aLIGO的设计目标,但已经是很大的改进。

干涉仪的灵敏度也可以反过来用它所能凝听的距离、体积来表示。iLIGO的灵敏度让它能听到大约6千万光年之内的双中子星碰撞所产生的引力波。这时的aLIGO的侦听距离增大了三倍,达到近2亿光年的距离。在三维宇宙中,距离增加3倍,相应体积便增大27倍。在这个扩大的体积内,有着成千上万的星系,其中可能的双中子星数量大大增加。据理论估算,iLIGO可能每十年能观测到一次双中子星合并,而这时的aLIGO已经能在一年中遇到好几次。

因为泰勒和赫尔斯的发现和其后的大规模观测,天文学家已经较清楚地知道双中子星在星系中存在的密度,因此可以有根据地做出这样的估计。但韦斯、索恩、惠特科姆等人却还抱有更大的希望。如果两个黑洞碰撞合并,因为它们的质量比中子星大得多会产生更强烈得多的引力波信号。因此,干涉仪的探测范围还会更大,有可能听到十几亿光年之外的双黑洞碰撞的回响。

在二十一世纪,物理学家对黑洞的存在已经不再怀疑。但黑洞之所以被冠名以“黑”,是因为它们的引力场如此之强,即使以光速运动的电磁辐射也无法逃逸。因此我们没法直接观察到黑洞,只能通过其对周边星球、宇宙物质的引力作用而推测。虽然黑洞的存在本身没有疑问,两个黑洞是否会彼此接近到形成双黑洞,乃至加速接近、碰撞而合并,却依然是个只存在于超级计算机模拟计算之中的壮丽。

在LIGO一帆风顺的同时,Virgo的升级过程却陷入困境,无法按时完成。到2015年秋季,LIGO不再等待Virgo的完工,先行用自己的两个干涉仪进入实际观测。也就是说,干涉仪的运作将从“工程调试运行”(engineering run)转换为实际的“观测运行”(observing run)状态。按照计划,第一个观测运行期(O1)在2015年9月15日那个星期一开始。

9月14日的星期天晚上,两个干涉仪遭遇分别来自太平洋和墨西哥海湾的风暴影响,在试图进入锁定状态时困难重重。在工作人员的持续努力下,汉福德的干涉仪当地半夜时分率先实现了锁定。随后,利文斯顿的干涉仪也在当地临晨4点之前进入了锁定。疲惫无比的工作人员长舒一口气。大部分人回家了,留守值班的也各自找安静的所在休憩。干涉仪自行维持着锁定状态,静静地等待来自宇宙的任何微扰。“O1”开始了。

韦斯正在与家人度假。他那天晚上一直在计算机上远距离关注着进展,这时也听从妻子的劝告上床休息。

大约一小时之后,一丝引力波的涟漪悄无声息地穿过地球,在当地时间4点50分先到达利文斯顿,几毫秒后又经过汉福德(当地时间2点50)。不到一秒钟后,它已经消失得无影无踪。地球上没有人觉察出它的到来和离去,只是两个干涉仪的数据记录中都留下了短暂的一串小脉冲。


欧洲这时是星期一的上午,人们在正常地上班。信号过去4分钟后,在德国汉诺威工作的意大利籍博士后德拉戈(Marco Drago)于当地时间上午11点54分收到一份监控软件自动产生的电子邮件,提示他这个信号的出现。他的第一反应便是这个波形太像引力波了,大概又是一次“人为注入”的演习。
图中顶排是汉福德(左)和利文斯顿(右)干涉仪在2015年9月14日测得的引力波信号。右上图的利文斯顿信号上也重叠了修正时间差的汉福德的数据,显示二者的重合度。第二行的图是去除背景噪音后的观测结果与理论模拟的黑洞合并过程产生引力波的比较。第三行图显示引力波信号中所含的背景噪音部分(上两行数据之差)。最底一行显示引力波频率和强度随时间的演变。
不知是有意还是碰巧,LIGO过去两次有影响的人为注入演习——“秋分”和“大狗”——都发生在9月份。这次很可能又是故伎重演。但德拉戈和他在德国的同事都觉得太过蹊跷。aLIGO的升级刚刚完成,仅仅几小时前才勉强实现锁定。人为注入的演习不可能这么快就能实施。

他们立即向美国的干涉仪控制室打电话询问,那边依然是黎明前的寂静。汉福德那里没人接电话,利文斯顿值班人员说一切正常,他们没有在做什么调试。德拉戈再也按耐不住。他发出一份简短的邮件,提醒LIGO科学合作组织成员他的发现。此时信号刚刚过去一个小时。

惠特科姆早就计划好9月15日从加州理工学院退休。随着aLIGO进入实际观测,他在这里的使命也已基本完成。但他也应诺如果干涉仪探测到有意义的数据,他会回来协助把关,负责随后的检验、核实工作。这天晚上,退休前夕的惠特科姆睡不好觉,早上4点就起来查看邮件。看到德拉戈的信件后,他立即告知妻子:他的退休计划至少在未来几个月里是泡汤了。

接下来的一整天LIGO科学合作组织内部有点人心惶惶,大家都在互相打听是否有过人为注入的演习。只有担任组织发言人的冈萨雷斯(Gabriela Gonzalez)清楚这个答案,因为演习必须由她拍板。她看到德拉戈的邮件时百感交集,知道这非常可能就是他们梦寐以求的天籁之音。

只是她还不能暴露真相,而当务之急却是要立即补救德拉戈捅出的大娄子。一时激动中的德拉戈整个忘了他们预习、操练过的工作程序,他把邮件群发到LIGO内部好几个人员广泛的邮件组。冈萨雷斯作为邮件组的管理人,成功地拦截了德拉戈发给所有人的那一份。但其他邮件组中很多“不相关”人员已经收到了邮件。

9月16日,冈萨雷斯、赖茨与其他几位高层领导联名给整个组织发送了一份措词严肃的信件,提醒大家这个时候最最重要的是严格对外保密,不得提前泄露信息导致误会。

亡羊补牢显然已经晚了。九天后,克劳斯便发出了他的推特。随后,冈萨雷斯的电话被闻风而来的记者打爆。她只能以官腔套话应付,同时在内部颁布禁言令,禁止回应、评论克劳斯的消息或在社交媒体谈论此事。希望克劳斯的捕风捉影能够自生自灭。

在惠特科姆的领导下,负责核查数据的人员已经按照既定程序按部就班地排查地震、飓风、陨石、风暴等等一切可能的随机噪音源。他们果然在国际气候数据库中发现西非的布基纳法索在同一时间有过一次异常强大的雷电袭击。深度数据分析表明该电击事件距离太远,无法震动美国干涉仪的悬镜。

但惠特科姆更为忧虑的是人为的因素:既然他们可以设计出瞒天过海的人为注入手段,难道他们团队中那么多聪明绝顶的年轻人不会有人动同样的心思以促狭?会不会有人离开项目后心存不满而故意捣乱?甚至,有没有可能系统被外面的黑客打入?看到他几乎成为偏执狂的状态,同事安慰他道,如果黑客中真有人能干出这么漂亮的捣蛋,那本身也该值得赢个诺贝尔奖了。

一直到接近年底的三个月后,他们终于确定这个信号的真实。


过去二三十年里,当实验物理学家兢兢业业地设计、制作、调试激光干涉仪时,只擅长“纸上谈兵”的理论物理学家也没有袖手旁观。他们利用威力越来越强的超级计算机对各种可能的引力波源进行了全面、详细的模拟计算。仅仅是两个星球碰撞合并就会有几十万种不同组合:不同质量的黑洞碰撞、不同质量的中子星碰撞、不同质量的黑洞与中子星碰撞、碰撞之前不同的初始条件、碰撞之后合并星球的不同质量、它们与地球距离的不同远近、轨道相对地球的不同角度……每一种情形会产生稍微不同的引力波波形,犹如每个事件有着独特的指纹。他们建造了一个全面的引力波波形数据库,一旦测量到信号便可以按图索骥。

与2015年9月14日测得的信号最符合的是两个黑洞的碰撞,其中一个质量是太阳的36倍,另一个则是29太阳质量。二者合并之后,产生了一个62太阳质量的大黑洞。前后所差(36+29-62)的3个太阳质量便全都被转换为引力波的能量,爆发性地向整个宇宙激荡。测量到的信号与理论预测非常准确的高度契合也为信号的真实性提供了更大的信心。

我们的太阳每秒钟释放的能量是其本身一个太阳质量的一万亿之一的十亿分之二。这“区区”一点能量已经足以为地球上的生物提供合适的光亮和温暖。这次黑洞的合并是三倍于太阳质量的能量在几微秒内的释放,真可谓“惊天动地”。或者说,这个瞬时释放的能量是宇宙中所有恒星发光的能量总和的十倍还多。因此,这也是人类所确知的除了宇宙大爆炸之外最剧烈的能量释放事件。

这两个黑洞质量如此之大,它们碰撞释放的能量如此之强,以至于它们虽然相距地球达13亿光年之远,也被LIGO的激光干涉仪捕捉到了。

LIGO所测到的还不只是那一瞬间的辉煌,而是包括了两个黑洞碰撞前最后的四圈公转,以及合并后新黑洞的身影。虽然这整个过程只持续了大约0.2秒,引力波的波形却提供了一个栩栩如生的图景:信号伊始时,两个黑洞相距大约与它们自身大小5倍的距离,有着三分之一光速的相对速度。它们像交谊舞的舞伴相拥旋转了四圈,在信号中表现为8个近乎标准的周期。这个阶段叫做“旋进”(inspiral),其间黑洞之间距离越来越小、相对速度越来越大,测得的引力波的振幅也随之增大、频率升高,犹如小鸟的啁啾(chirp)。然后,黑洞接近到它们自身大小的距离,相对速度达到接近百分之六十的光速。这时它们轰然合并(merger),引力波的振幅达到最高峰。随后,如同被突然打击了一下的锣鼓,合并之后的大黑洞还会发出一小段急剧减弱引力波信号,叫做“铃宕”(ringdown)过程。最后,一切恢复静寂,仿佛什么也没有发生过。
2015年9月14日汉福德测得的(去除背景噪音后)引力波信号(灰线)与理论计算(红线)的对比。上图显示两个黑洞接近、合并和铃宕的整个过程。下图是相应的两个黑洞之间的距离(黑线,右边坐标轴)和相对速度(绿线,左边坐标轴)。
在宇宙空间以光速传播了15亿年后,这个引力波终于来到地球。她只剩下10^-21级别的微弱荡漾,却依然保留着这些细节供我们回放远古的历史。


LIGO的论文于2016年1月21日送交《物理评论快报》。期刊事先已经得到讯息,接到稿件后立即优先安排同行评议。1月27日,匿名的审稿人便通过了审阅。1月31日,稍经修改后的定稿送达期刊,排定为2月11日正式发表。
发表于《物理评论快报》的发现引力波的论文第一页。
《物理评论快报》是物理学界最为引人注目的科研期刊。作为“快报”,其宗旨是迅速、简洁地发表重大突破性的成果。发表的文章篇幅一般限制在4页之内。LIGO这篇里程碑式的论文显然篇幅过长,共有16页。其中满满5页却全都是作者和所属科研单位的名单——共有1011名作者,代表着16个国家的133个大学、机构。尽管这次探测是在Virgo和GEO600缺席(前者因为升级尚未完成;后者则当时未处于观测状态,也不具备需要的灵敏度)的情况下由LIGO的两个干涉仪独立完成的,论文作者还是根据事先的合作协议包括了所有的有关人员。

出于韦伯的原罪和BICEP2的乌龙,LIGO领导层坚持必须在同行评议通过之后才能公开这个结果。他们同时也知道,随着时间的拖长,保密会越来越困难。2016年1月11日,克劳斯又发出一份推特,声称他有了新的消息源,旁证他三个多月前发的探测到引力波的消息之真实。物理学界也已经沸沸扬扬,消息、传闻、猜测不胫而走。

众人翘首以盼的记者会终于在2016年2月11日召开。《物理评论快报》配合行动,在记者会同时将论文在网站上推出。他们在头天晚上特地将原有的4个网站服务器增加到6个。但几分钟之内还是因为过多的流量而集体宕机。他们不得不临时再增加10个服务器。

赖茨、冈萨雷斯、韦斯、索恩相继在会上介绍了引力波的发现及其意义。赖茨直截了当地宣布,“女士们、先生们:我们已经探测到了引力波。我们做到了!”
2016年2月11日宣布探测到引力波的记者会主席台上:赖茨、冈萨雷斯、韦斯和索恩(从左到右)。
这还不仅是人类第一次直接探测到引力波,而且也是第一次与黑洞最真切的亲密接触。虽然物理学家对黑洞的存在已不再存疑,对它们的了解却还是非常之少。他们猜测宇宙中存在两种不同来源的黑洞:其一是大型星系——比如我们的银河系——的中心存在的巨型黑洞,它们的引力场维系、携带着整个星系在广宇中漫游。另一类则是由大质量的恒星在核燃料耗尽后崩塌而成,是白矮星、中子星的同袍大哥。因为恒星内部热核反应速度与它的大小、质量息息相关,一般认为恒星不可能长得太大。它们塌陷后形成的黑洞应该只是太阳质量的十几倍。

LIGO的第一个实测结果便揭示了29倍、36倍、62倍太阳质量的“大”黑洞的存在,超越了原先的想象。它更第一次证明了黑洞双星体系的存在以及它们碰撞合并的可能,进一步丰富了天文学的认知。

在描述了这些划时代意义的重大发现之后,冈萨雷斯自信地预言,这还只是LIGO干涉仪探测到的第一个信号。今后,他们一定会持续有新的发现。她没有透露的是,其实更多的信号当时已经被探测到,只是尚未通过他们严格的鉴定程序,因此还没到能够公开的时机。


(待续)


科普


Sunday, June 17, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十六):南极上空的乌龙

2014年3月17日,正当LIGO的年轻人在争分夺秒地完成aLIGO的升级换代时,一场盛况空前的记者会在哈佛大学召开。通过互联网实况转播,全世界有将近一千万人在收看。很快,消息在网上轰动性地传开。各大主流媒体也紧跟着发出振奋人心的新闻稿,其中充斥一连串引人入胜的大名词:“宇宙大爆炸”、“暴涨”、“多重宇宙”、……“引力波”。

即使在学术界,圈内的物理学家也按捺不住兴奋,纷纷赞誉这将是人类历史上最重要的科学发现之一。

这个划时代的观测结果没有来自汉福德和利文斯顿,而是地球上最为人迹罕至的地点之一:南极。


1980年,萨根为美国公共电视台制作了一个收视率破纪录的科普系列电视片《宇宙》(Cosmos: A Personal Voyage)。他在第九集开场的第一句话是,“如果你想从零开始烤制苹果派,那你首先需要发明宇宙。”(If you wish to make an apple pie from scratch, you must first invent the universe.)

如果没有宇宙,我们不会有面粉、苹果、糖;不会有小麦、苹果树、甘蔗;不会有土地、水、阳光;不会有地球、太阳;不会有碳、氧、氢等各种元素;不会有质子、中子、电子、光子……当然,也不会有我们自己,便无从烤制苹果派。

自从1964年贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊误打误撞地发现了宇宙微波背景辐射后,原来匪夷所思的大爆炸理论开始得到普遍地接受。因为那个辐射便是大爆炸的遗迹,犹如考古发现的化石。

不过,如果宇宙自大爆炸发生后便一直像今天这样地膨胀,却也无法解释宇宙的一些特征(其中之一是巴里什梦寐以求的磁单极之不存在)。为了解决这个困难,物理学家在1980年代提出“暴涨”(inflation)理论,弥补了缺陷,构造出更具体的宇宙初始图像。

在大爆炸发生后10-36到10-32秒时,也就是一万亿分之一的一万亿分之一的一万亿分之一秒后的那“一瞬间”,宇宙有过一次剧烈的“暴涨”。在所有的空间尺度呈指数增长,“一下子”扩大了大约1026(e60)倍。起初只有微小的基本粒子尺度的宇宙便具备了可观的大小。暴涨结束后,宇宙依然继续膨胀,但不再那么剧烈。

暴涨之后的宇宙是炼狱般的高温(1032度),没有星球,没有原子,但充满着电子、正电子、质子、中子、光子、中微子这些基本粒子。这是一种特殊的“等离子体”(plasma,老一代中国物理学家曾经翻译为“电浆”,也许更为形象)。这个电浆如此稠密,光子没法自由运动,是一个完全不透明的“黑暗”世界。

大约38万年以后,这个“年轻”的宇宙终于通过膨胀冷却到了3000度以下,质子和电子第一次可以结合成稳定的氢原子。充满宇宙的粒子气体不再是带电的粒子,而是中性的原子,光子可以在其间自由穿梭。如同满屋子的水蒸气在温度降低后凝聚成水滴,宇宙突然变得透明。这些光子便是大爆炸之后所能见到的第一束光,宇宙的第一抹“曙光”。

再经过一百多亿年,宇宙继续膨胀、冷却,逐步演化成为今天丰富多彩的世界。那原始的第一束光随之耗散、冷却之后,便是彭齐亚斯和威尔逊发现的宇宙微波背景辐射。


因为量子力学中特有的随机性,高速运动质子和电子会自发产生密度涨落:它们在有的地方多一些,有的地方少一些。凝聚出来的氢也有相应的密度差异。引力在这时成为主导力量,密集的氢因为互相之间的引力逐渐汇聚在一起形成早期的星球,然后又在自身重力的压迫下发生一系列核聚变反应。于是我们才有了氦,有了碳,有了金属,有了行星……然后,出现了人类,发明出如何烤制一份美味的苹果派。

就像起初的大爆炸一样,暴涨理论很难被大部分物理学家接受。近乎不可思议地,这个理论还必然地推论出暴涨过程中的宇宙不是单一的,而是同时会出现大量平行、互相隔离的宇宙。我们所在的宇宙只是其中之一。这就是所谓的“多重宇宙”(multiverse,与universe相对),似乎现代宇宙学已经侵入了科幻小说的领地。

不过,这个理论最大的弱点也是与费曼几十年前讥讽当时的宇宙学如同一辙:说得天花乱坠,却只是纸上谈兵,没有实际依据。

当然,人类不可能在实验室里制造出一个大爆炸来观察、验证,最多只能像考古学那样:寻求远古的化石,仔细钻研化石上残留的蛛丝马迹,试图还原出那过去的故事。

最早的化石便是宇宙微波背景辐射,那是宇宙38万年时的产物。它是否含有更早期的“宝宝”宇宙留下的蛛丝马迹呢?的确有可能,那却有赖于我们的老朋友——引力波。

早期电浆中的密度涨落是质量的变动,因此会激发出引力波。引力波与光子相互作用,能够影响光子的偏振(polarization)态,使之呈现出一种B模式(B-mode)。这个B模式会一直残留到今天的宇宙微波背景辐射中,便是我们可以寻找的蛛丝马迹。


彭齐亚斯和威尔逊的天线设备相当简陋。他们发现宇宙微波背景辐射无时不有无处不在,似乎是均匀的地弥漫于整个宇宙,各个方向没有区别。

我们现在已经习惯于用微波炉加热甚至烹调食物,非常快捷方便。这是因为食物中的水分很容易吸收微波的能量。因为同一原因,我们在地球表面很难精确测量来自太空的微波,因为它们绝大部分已经被大气层中的水气吸收。

韦斯在麻省理工学院发明干涉仪的同时就在设计用气球携带仪器上升到大气稀薄的高空测量宇宙微波背景辐射。在他苦于找不到干涉仪的资助而走投无路时,美国航天局对他的微波实验发生了兴趣,不仅提供资助,还聘请他担任宇宙微波背景辐射探测委员会主席,主持将仪器装载到人造卫星上进行大气层之外测量的大项目。

1990年代初,一颗名为“宇宙背景探测者”(Cosmic Background Explorer,简称COBE)的卫星对宇宙微波背景辐射进行了第一次全面、精细的测量,发现该辐射并不是完全均匀的存在,宇宙空间不同区域之间的辐射温度有着千分之一量度的差别。这个结果证明了大爆炸之初的宇宙的确存在密度差异。现在辐射温度稍微高的地方便是当初密度稍微大一点的区域,这些地方后来发展成星系、星系团、星云等等的所在。
1990-1992年间COBE卫星拍摄的宇宙微波背景辐射温度分布图。

主持这项测量的物理学家斯穆特(George Smoot)激动地回顾,当他看到COBE描绘出的这个图像时,仿佛“看到了上帝的脸”。斯穆特和马瑟(John Mather)因为这个项目荣获2006年诺贝尔奖。作为该项目先驱、领路人的韦斯却被擦肩而过。

COBE之后,物理学家乘胜追击,开始了一个叫做“宇宙外星系偏振背景成像”(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization)的测量项目——之所以采用这么一个拗口得不知所云的名字,也只是为了凑出一个强有力的缩写:BICEP(“二头肌”)。他们设计了一个新型的能精确测量微波辐射的望远镜,安装在南极点附近。
位于南极的BICEP2望远镜(前面房顶上),后面是另一座“南极望远镜”(South Pole Telescope)。

南极看起来冰天雪地,其实却是一个高原沙漠。那里海拔2700米,空气稀薄。更因为极其寒冷,大气中也几乎没有水分子。(南极本身没有雨雪,地面上的冰雪是被风从远处吹来堆积而成)。在无法或没钱把望远镜装上高空气球或人造卫星时,南极是地面上观测微波辐射最佳地点之一。

相对于LIGO的大科学大协作,BICEP只是寥寥几个人的小团队。他们的任务看起来也简单得多:在微波辐射的偏振中寻找B模式,“只”需要三千万分之一的灵敏度。更优越的是他们不需要苦苦等待那不知道什么时候才可能发生的巨星碰撞。如果B模式存在着,它随时随地都在那里等着被发现。

然而他们也有类似LIGO的难处。宇宙空间弥漫着微波辐射,并不都来自远古的大爆炸。当这些微波被银河系中的宇宙尘埃(cosmic dust)散射时,也会带上B模式偏振。这些就如同LIGO中的环境噪音,稍不留神就可能以假乱真。


2014年3月17日召开的记者会便是宣布第二代的BICEP2已经成功地在宇宙微波背景辐射中观测到B模式偏振,而且其强度比预计的高很多。这个结果为暴涨理论提供了第一个切切实实的证据支持,因此也同时证实了让媒体、爱好者更为兴奋的多重宇宙。

早在1978年,泰勒和韦斯伯格通过对中子双星的轨道塌缩测量已经间接证实过引力波的存在。但在哈佛的记者会上,他们依然强调他们也由B模式偏振而发现了引力波。的确,他们的结果具备新的特点:其一,BICEP2“观察”到的是最原始的引力波——宇宙大爆炸的“第一次震颤”;其二,引力波对光子偏振态的作用是引力与量子力学结合的第一个证据,可以为“量子引力”(quantum gravity)注入新的生命力。

应邀作为与实验无关的“中立人士”在记者会上讲解的物理学家卡米尔考斯基(Marc Kamionkowski)当场形象地描述道,“如果这个结果靠得住的话,暴涨已经给我们送来了一份电报,以引力波的方式书写在微波背景的天空中。”

或者说,我们不仅看到了创世纪时上帝的脸,而且找到了他的指纹。


虽然BICEP2团队是搜寻B模式的先行者,他们并不孤独。在他们取得数据时,另外几个用不同方式测量的团队也已接近成功,包括他们最强劲的竞争对手:欧洲航天局专门为测量微波背景辐射发射的新型人造卫星“普朗克”号。

一方面,他们希望能多角度地核查自己的数据;但另一方面他们更害怕因为等待而失去这一具里程碑意义的发现的优先权,痛失稳拿的诺贝尔奖。他们曾请求普朗克团队提前分享数据做对比,被拒绝。于是他们只能根据对方在一次公开演讲用的图表粗略估算其背后的数据,似乎与他们自己的测量没有冲突。

当那场记者会召开时,他们尚未完成论文,也就还没有经过同行评议的考验。但他们已经等不及了。记者会之后,他们把论文稿在物理学界熟知的预印本网站(arXiv.org)公开。于是,一场自发的、群策群力的同行评议随之展开。

三个星期之后,论文还没有正式提交。但这个结果如此轰动,预印本网站上已经出现250篇与此有关的新论文。在这么多的瞬时引用中,已经有个别文章指出他们探测到的也许不是大爆炸的回音,而只是来自银河系内宇宙尘埃——也就是“噪音”。两个月后,普林斯顿大学的天文学家发表了论文,详细论证了BICEP2团队明显低估了银河尘埃的影响。

三个月后,BICEP2团队的论文通过了同行评议,发表在《物理评论快报》上。这个正式发表的版本与他们公开的预印本有显著的修改。因为匿名审稿人的建议,他们删去了有关与普朗克卫星数据相对比的部分,因为他们的估算并不可靠。但这时,对他们结果表示怀疑的舆论也已经开始压过赞赏的。

再后来,普朗克卫星团队正式发表了他们的数据,证明银河系尘埃的噪音与BICEP2所测得的信号同级,也就是说后者的结果不具备统计意义。BICEP2团队不得不撤稿,一场轰动全世界的重大科学发现极为难堪地落幕了。
《物理世界》报道BICEP2结果被否定的新闻,题目一语双关地指出他们“吃了一口土”(bites the dust)。


费曼曾经指出过,科学研究中最重要的是“你不能糊弄自己,而你自己恰恰是最容易被蒙骗的人。”(The first principle is that you must not fool yourself--and you are the easiest person to fool.)无论是出于过度的自信,还是过于期望梦想成真,BICEP2团队被他们自己的热情和轻率蒙骗了。

失望的还不止是始作俑者,还有霍金。霍金曾经为了暴涨理论与图罗克(Neil Turok)打过一个赌。因为BICEP2的结果,他以为终于能够赢得一局。倒是图罗克比较冷静,没有立刻认输,反得以笑到最后。

尘埃落定之后,普林斯顿大学的爱因斯坦讲席教授斯坦哈特(Paul Steinhardt)在《自然》(Nature)杂志撰文,满怀激情地鼓励实验物理学家不要灰心丧气,应该再接再厉,继续探寻暴涨理论的是非证据。但同时他也严肃地提醒道:全世界都会在密切注意着这个动态,以后要切切保证测量结果中没有混杂环境因素,应该在论文提交、同行评议之后才能召开记者会宣布,应该及时公开所有的数据分析资料……

因为BICEP2的乌龙,这个领域的物理学家从此也背负上了韦伯式的原罪。


(待续)



Sunday, June 10, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十五):新世纪的新一代

2000年,天文学家奥斯特里克收到了索恩送来的一箱红葡萄酒:新的世纪没能带来索恩所期望的引力波好消息,他输掉了十九年前的那个赌。当初在国会对投资干涉仪持反对态度的奥斯特里克对正在调试中的干涉仪倒越来越感兴趣,只是还没有服气。索恩这时已经不再乐意打这种有时间限期的赌了。于是奥斯特里克又找了LIGO的另一名科学家打赌:你们在2019年1月1日前还是不会测到引力波。

德瑞福当年的助手、格拉斯哥大学引力波实验室主任休夫在2004年时发现英国一家从事网上博彩的立博(Ladbrokes)公司居然设立了一个引力波的大彩:如果科学家能在2010年以前探测到引力波,赔付率是500比1。好事的休夫觉得机不可失,便投了一注。

正在探测引力波的“内线”科学家下注的消息传开,引来一大批跟风者。立博公司被吓坏了,急忙将赔付率降低到10比1,后来又接着砍到只有6比1。公司发言人后来解释他们曾询问过一些物理学家,百分之八十的人回应是2010年之前不会有可能。休夫却信心满满,觉得可能性已经达到五分之一,甚至对半。


2007年9月22日,汉福德和利文斯顿的数据记录中同时出现了一个微弱的不明信号。通过联网的数据分享,他们发现意大利的Virgo也有着相应的记录。因为那天恰好是秋分,这个信号被命名为“秋分事件”(Equinox Event)。LIGO科学合作组织的科学家们为这个“事件”花了一年多的时间进行细致的数据分析,最终得出结论认为信号太弱,不具统计意义。

三年后,2010年9月16日,又一个信号同时在三个干涉仪中出现。不仅它的强度明显高于噪音,而且其波形与一个黑洞和一个中子星碰撞合并的模拟计算结果相当符合。通过三角定位发现它可能来自大犬星座,因此被称为“大狗事件”(Big Dog Event)。

难道,这就是人们期盼已久的天籁之音吗?

LIGO已有的流程备案立刻被付诸行动。合作组织的科学家们一边对外严格保密,一边各就各位、按部就班地检查数据,逐一排除所有非引力波来源的可能性。即使三个天文台同时发现信号基本上排除了仪器附近的随机影响,还是有很多因素需要排查:那个时刻地球的任何角落发生过地震吗?有没有流星掠过地球或者陨石坠落?数字化后的控制、监测系统使用着大量的计算机程序,会不会软件里出现了“虫子”?

这个繁复的过程延续了半年之久。最后,他们终于确信这是一个真实的信号。于是,又一轮的分工合作展开,集体起草、修改准备向《物理评论快报》(Physical Review Letters)投稿的论文。很快,一切准备就绪。

2011年3月11日,350名科学家、工程师以及其他工作人员济济一堂,聚集在加州理工学院附近的一间会议室里。会场之外还有世界各地电话连线的100多人。他们一起最后一遍审阅定稿的论文,然后投票决定正式投稿。几个人忍不住当场讲话,表达激动的心情。

这时,LIGO主任马克斯(Jay Marx)走上讲台,在众目睽睽下拿出一个他已经独自珍藏了六个多月的信封,当众拆开密封。里面有一个微盘,储存着一个详细的计划书:秘密地在干涉仪系统中人为注入模拟的引力波信号。

与“秋分事件”一样,“大狗事件”其实只是一次演习。

半年多的心血和激情在一瞬间付诸东流的人们既震惊又平静。他们依然打开事先准备好的香槟酒,互相碰杯、祝贺,庆祝了一次“虚假的成功”。

韦斯、索恩、巴里什都是曾经耳闻目睹韦伯那场风波的一代人。他们对韦伯的经历刻骨铭心,内心里觉得干引力波这一行的人都因为他背负着“原罪”,必须异乎寻常地谨慎。在宣布探测到引力波之前,他们只能如履薄冰、战战兢兢地确认信号的真实。因为他们无论如何也经不起再来一次乌龙。

人为地注入假数据(blind injection)的演习是培养这种审慎态度的一个途径。这个计划事先只有主任身边的寥寥几个人知晓,注入过程本身的设计和实施也千方百计地做到滴水不漏。这样,所有的工作人员都被蒙在鼓里,实实在在地经受了一场考验。

马克斯还披露,在“秋分”和“大狗”之外,他们还进行过另外两次注入。结果却都石沉大海,没有被标识为可能的引力波信号。无论是“成功”辨别、处理那两次事件,还是错漏了另外的可能,这都成为LIGO人员宝贵的经验和教训。在那之后,他们又组织了详尽的“复盘”分析,从仪器硬件、软件到数据的采集、识别以及工作人员之间的交流等等每一个环节进行一丝不苟地复查、梳理,从中总结出一整套严格、成文的操作流程,为下一次信号——无论是真的还是假的——的到来做好准备。


马克斯是2006年接任LIGO的主任职务的。2005年,巴里什从加州理工学院的教授位置上退休,同时辞去了LIGO的主任。

经过十一年的努力,巴里什心满意足。他已经完成了挽救LIGO的使命,将她带上了正常运行的轨道。他没有回家养老,而是以“退休教授”(Professor Emeritus)的身份继续从事他喜欢的科研。只是他不再留恋引力波,而是回到他的老本行:美国正在酝酿建造新一代的“国际直线对撞机”(International Linear Collider)。他抓住机会,领衔主持总体设计。与众多的大科学项目类似,这个对撞机现在依然陷在预算的泥潭中。

巴里什离去后,惠特科姆担任了一年的LIGO代理主任,然后由马克斯接手。

当世界进入新世纪时,韦伯“发现”引力波已经过去了三十年。费曼已于1988年去世;他的导师、长寿的惠勒在2008年告别人世。当年被韦伯激发出捕捉引力波热情的那一代人,也陆续走完了他们的学术旅途。

2001年,70岁的韦斯成为“退休教授”。他没有离开心爱的干涉仪,反而把大部分时间花费在汉福德或利文斯顿。他最喜欢的是独自一个人沿着干涉仪的4千米长臂来回行走、巡查。他随身带着工具,像机修工那样不时敲打不锈钢的外壳,倾听着回音。也许在他的想象中,这些回音里隐藏着微妙的引力波旋律。但更多的是,他会在手电筒的灯柱下发现破碎的玻璃、成灾的鼠群以及各种毒虫。它们的尿液腐蚀着不锈钢,留下刺眼的锈斑。LIGO的年轻人都不得不承认,没有人比韦斯走过更长的路,没有人能比他更熟悉干涉仪中每一寸肌肤、每一个角落。
老年的韦斯终于找到了通往黑洞的途径。

及至2008年,韦斯有一次到加州理工学院开会时突然意识到已经很久没见到过德瑞福了。询问之下,当地同事也没有人知道他的情况。

德瑞福被从LIGO项目扫地出门后曾经向学校的学术委员会申诉,试图找个说法,挽回位置,但没有成功。他在加州理工学院有终身教授职位,不会轻易被解雇。学校另外给他提供了科研资金,他也没什么兴趣,明白自己无论再干什么都不可能与这个项目相比。即使在沃格特被解雇、大部分与德瑞福有过节的人离开了之后,惠特科姆依然不允许德瑞福直接参与LIGO。他只能通过公开的学术研讨会关注其进展。

还是巴里什上任后取消了针对德瑞福的“禁令”,鼓励他重新归队。德瑞福成为LIGO科学合作组织一员,也经常出现在各种会议上。只是此时他像是换了一个人,自己静静地旁听,不再参与,更遑论惹是生非。这样,没人注意到后来他就没有再现过身了。

韦斯自己寻找到德瑞福在校园里租住的小公寓,发现里面一片狼藉,堆满了书籍资料和衣物,基本上没有家具。几句交谈后,韦斯意识到德瑞福表现出明显的老年健忘症。

德瑞福在1980年代离开苏格兰故乡,只身来到美国加州。他心目中只有引力波事业,二十多年只生活在实验室,没有交过朋友,更没有结婚,一直是孤身一人。自从被他心爱的事业抛弃后,他的个人生活更是每况愈下,以至于无力自理竟也不为人知。

无奈,加州理工学院的一位教授设法联系上德瑞福老家的哥哥,然后陪同德瑞福从洛杉矶飞到纽约,直到把他送上回格拉斯哥的飞机。


沃格特被迫离开LIGO之后也进入了退休年华。他对加州理工学院、对美国这个他自己选择的国度的爱丝毫没有因为这段经历而减弱。他离开科研领域,干起了独立咨询,为美国政府提供国家安全、核裁军等专业服务。即使是在85岁的高龄,他依然深入阿富汗前线,并曾遭遇伏击受伤。他乐此不疲,虽然他的工作属于保密范畴,不为外人所知悉。

索恩是在2009年退休的。他选择的却是一个不同凡响的退休生涯。

早在1984年,康奈尔大学天文学家、著名科普作家萨根(Carl Sagan)在创作科幻小说《超时空接触》(Contact)时,对自己设计的女主人公堕入黑洞而穿越超空间的情节没有把握。他找到好友索恩,请这位引力大师为他把关。

索恩当即否定了通过黑洞穿越的可能性。他受到故事情节的启发,意识到广义相对论中有“虫洞”(wormhole)——早在1930年代,爱因斯坦和罗森便发表了这方面的第一篇论文,当时被称为“爱因斯坦—罗森桥”——可以借之穿越时空。还在与家人一起度假的时候,索恩便推导出虫洞旅行的数学方程。于是,萨根修改后的科幻有了更扎实的科学后盾。索恩也得以发表一系列学术论文,重新点燃了学术界对虫洞的兴趣。

这一番合作令索恩重温自己幼小时沉迷于阿西莫夫等人的科普书的美好时光。他开始自己创作科普作品,于1994年发表了《黑洞与时间扭曲》(Black Holes and Time Warps)。退休以后,他便专注于写书,还有……拍电影。

当初萨根还顺带给离婚不久的索恩介绍了《纽约时报》编辑奥斯特(Lynda Obst)。他俩约会了几次,没能擦出爱情火花,倒真的成了多年的好朋友。奥斯特参与了《超时空接触》改编成电影的过程,后来摇身一变,成为好莱坞电影制片人。十多年后,她又找到索恩,希望合作一部虫洞旅行的新电影。两人花了几个月的时间写出故事梗概,然后由诺兰兄弟(Jonathan Nolan、Christopher Nolan)分别编剧、导演,最终成为2014年的大片《星际穿越》(Interstellar)。

《星际穿越》不仅获得票房上的巨大成功,还成为科学、娱乐界携手合作绝无仅有的奇葩:索恩担任影片的执行制片人,还负责科学背景。他自始至终坚持电影中的科学成分必须真实、准确,不得随意“艺术发挥”。大导演诺兰想增加一个超光速旅行的情节,索恩坚决反对。争执了两个星期后,诺兰不得不放弃。
索恩在准备拍摄《星际穿越》一个场景中写满数学公式的黑板,旁边是影片中的演员查斯坦(Jessica Chastain)。

电影里所有高科技效果都来自根据索恩提供的数学方程用超级计算机产生的模拟图像,这与LIGO项目中模拟不同星体的碰撞研究其实没有多大区别。的确,电影发行后,索恩又与负责特技的几位艺术家合作了两篇如何将黑洞、虫洞等抽象概念视觉化的论文,分别发表在同行评议的正式学术期刊上。索恩自己也出版了科普新作《星际穿越中的科学》(The Science of Interstellar)。

正牌物理教授成为好莱坞电影制片人;好莱坞艺人在物理期刊上发表学术论文。如此壮举,的确是前无古人,不知道会不会后无来者。


2011年,初级版的iLIGO完成了历史使命,关机下线。在之前的十来年里,工作人员理清了各种环境噪音的来源、特征和影响,摸索出了一整套调试、操作仪器和处理数据的程序。虽然没有能见证到真正的引力波,他们在不知情的演习过程中的表现得到了一致的好评。

新一代干涉仪——aLIGO——这时也已经在实验室中“孵化”完毕。崭新的激光器、匪夷所思的四级悬摆“主动隔离”系统已经来到,跃跃欲试地准备大显身手。随着仪器的更新换代,马克斯也离任了,将LIGO主任职位传给刚刚50岁的赖茨(David Reitze)。

与大型高能粒子加速器类似,激光干涉仪的日常运作没有什么物理、科学内容,而“只是工程”,包括冗繁、细致的仪器调试,没日没夜的监控、记录,无休无止的数据分析、软件修改……从事这些工作的是新一代的年轻人。他们大多是博士后或研究生,来这里只是工作两三年,或者完成学位论文,或者另谋高就。LIGO是铁打的营盘流水的兵。

他们来自世界各地,操着各式各样的口音。他们大多是70后、80后甚至90后,最多只是听说过韦伯——那个悲剧故事对他们来说只是遥远的历史。这些年青人兢兢业业、一丝不苟。他们没有韦斯们那种“原罪”的精神负担,但承继了他们严格、精准的科学态度和程序化管理。他们阳光向上,乐观地期待着引力波在他们的眼前出现。

LIGO的这场脱胎换骨需要四五年时间。意大利的Virgo也选择与LIGO同步升级。因为他们在臂长上自愧不如,便在悬镜系统上下了更大的功夫,以求接近后者的灵敏度。

在这寂静的四五年里,地球上的三大干涉仪都下了线,只有小字号的GEO600还在孤独地聆听着遥远的太空。谁也没有、也不会指望GEO600可能独自探测到引力波信号。但作为科学前沿的探索者,LIGO的人们也时不时会不由自主地心有戚戚:在这漫长的等待中,会不会从哪里突然冒出什么人来抢占他们的风头?


(待续)



Sunday, June 3, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十四):超越国界的大协作

华盛顿是美国西北角的一个州,经常会被人与东部的首都华盛顿特区搞混。与西海岸的其它州相似,这里的居民只聚集于沿太平洋海岸的一些城镇里。如果离开海岸线向东走,很快就会进入人烟稀疏的山区和荒漠。

1942年底,惠勒伴随着一些神秘人物来到荒凉的华盛顿州东南部。经过一番考察,他们选定一个叫做汉福德(Hanford)的小镇,以战争的名义迁走附近一千多散居人口,设立了美国第二个核燃料生产基地。惠勒更是把他全家都搬到这里生活了一年多,设计、建造了世界上第一个大型钚(plutonium)工厂。1945年8月,人类第一颗原子弹成功试爆。它和稍后在日本长崎爆炸的“胖子”(Fat Man)使用的都是这里生产的钚,大大地加速了第二次世界大战的结束。

1960年代末,汉福德的反应堆完成了它的历史使命,一个个停产关闭。当地的设施转换为能源部所属的国家实验室之一,主要任务却是治理几十年的核燃料生产给当地自然环境所造成的严重辐射污染。

二十来年后,一批下一代的物理学家再度造访这个荒漠,选定汉福德为建造干涉仪的两个地点之一。
1993年,德瑞福在汉福德附近的沙漠中一锹定音,选定建造干涉仪的地点。

除了地广人稀、土地已经为政府所有,可以避免购并、拆迁等麻烦手续以外,汉福德还具备一个显著的优势:虽然地处西海岸,这里的地质、地理、天气都比较“安静”,不像其它太平洋沿岸经常有大大小小的地震、大风、雷雨,会给灵敏的干涉仪带来不必要的干扰。

西部的地点选好后,还需要一个与之相对的地点,这样只有在两个干涉仪同时测到信号时才能作为是引力波的可能,撇除其中一个地方偶然、随机的环境信号干扰。LIGO开始选择的是与汉福德纬度相近的东北部的缅因州,后来却因为“种种原因”临时改成了东南部的路易斯安娜州的小镇利文斯顿(Livingston)附近,让当时正在积极游说缅因参议员的沃格特很是被动。

对利文斯顿这个选址很不满意的还有韦斯,他的缘由是出于科学而不是政治。利文斯顿几乎就是后来在2005年遭受飓风灭顶之灾的新奥尔良市的郊区,邻近墨西哥海湾,一年中有一半时间可能有飓风光临。更有甚者,美国的第二大输油管道正从干涉仪所在的地下穿过,也是令人头疼的干扰源。(相比之下,汉福德那边就只有核辐射会令人不快,而干涉仪不在乎辐射。)

除了同样的地广人稀,利文斯顿的地理环境几乎完全是汉福德的反面。这里是美国东南部特有的沼泽森林地带。海拔只有区区十米。建筑干涉仪时挖掘的沟道很快便灌满了水,繁殖起大量来路不明的鲈鱼,以及冲它们而来的鳄鱼。

LIGO在两个不同地点建造干涉仪与早年韦伯将他的韦伯棒置放在两个不同地点是出于同样的考量。但作为大科学的LIGO与韦伯的单打独斗自然不能同日而语。汉福德和利文斯顿几乎处于美国版图的对角线上,分隔很远。它们之间直线距离超过3千公里,以光速传播的引力波如果从一个站直接传到另一个站也需要10毫秒的时间。因此,如果两个站接收的信号不是严格的同时,就可以通过其时间先后和差值估算出引力波来源的大致方位。
汉福德(左)和利文斯顿(右)两个地点的干涉仪和它们在美国地图上的位置(中)。从照片中可以看出两个干涉仪所处的地貌之不同。


在美国人为了他们的干涉仪焦头烂额、屡败屡战的那十来年里,欧洲人也没有完全闲着。

德国普朗克研究所的比令在韦伯棒和干涉仪上浸淫几十年后已经在1989年退休了。他的学生、同事继续着他开始的事业,与德瑞福留在格拉斯哥大学的实验室合作成立了一个名叫“德国英国天文台”(German-English Observatory)的项目。他们本来策划了相当于一亿欧元的预算大干一场,结果成功在望时却因为“天不时”而功亏一篑:1989年11月9日,柏林墙在东欧的剧变中“倒塌”,二战之后分离了将近半个世纪的东西德国终于统一。在举国欢腾中,原来西德政府的大量科研资金与其它政府预算一样被转向资助东德兄弟,许多项目被撤销。GEO便成为牺牲品之一,只是他们的不幸同时却是他们国家民族乃至欧洲之大幸。

及至1993年,他们终于得到私立大众汽车基金会的资助,在德国汉诺威市附近修建干涉仪。只是,他们获得的微薄资金只能建造一个臂长600米的小家伙——与比令当年在实验室里建造的相比也只大了区区20倍。这个干涉仪因此被昵称为“GEO600”。

意大利的物理学家不甘落后。他们与法国人合作在两国政府取得资助,在著名的“比萨斜塔”附近修建起一个臂长3千米的干涉仪,取名叫做“Virgo”。与LIGO和GEO不同,这个名字不是什么缩写,而是星空图中“处女座”的名字。处女座实际上是由1500来个星系组成,距离我们大概5千万光年,相对来说还不算太远。Virgo的设计者希望他们的灵敏度足以探测到那些星系里的双中子星合并所发出的引力波信号。

1950年代,西欧十二个国家从战后的残骸中崛起,联合建立了欧洲核子中心与美国的加速器、对撞机竞争、抗衡,也同时开创了欧洲国家摒弃互相之间的历史纠纷走向统一的新纪元。欧洲核子中心不仅逐渐与美国平起平坐,更因为美国这边超级对撞机的取消而获得高能物理实验中几乎独领风骚的地位。除了核子中心,欧洲也有一个与美国航天局对应的欧洲空间局,联合各国开展卫星发射、空间探测等科研活动。

引力波是一个前所未有的全新领域,欧洲尚未建立如同美国科学基金会的庞大、统一的科研资助机构。因此,干涉仪的研制、修建还是个别国家的各自为战和局部合作。(荷兰、波兰、匈牙利、西班牙后来相继加入了法国和意大利的Virgo项目。)无论是GEO600还是Virgo,在规模和灵敏度上都比LIGO逊色不少。它们无法与LIGO分庭抗礼,只能担任辅助角色。


1997年,美国汉福德和利文斯顿两个选址的基础设施建设均已接近尾声,开始进入科学仪器安装、测试阶段。两个地点虽然外表地貌看上去截然相反,两个干涉仪的建筑却无论内外都一丝一毫不差,几乎无可分辨。唯一的区别是里面有几扇门在一个地方是开左边的门而在另一个地方是开右边,令那些两边来回穿梭的工作人员颇为郁闷。

巴里什的眼光这时已经投向更为长远的计划。他知道,一旦干涉仪进入调试、运转状态,会需要大量的专业人力监控、分析、处理这个复杂的大家伙分分秒秒所产生的大量数据。如果探测到可能的信号,更需要大量的复查、核实和检验工作。这些可能不是他自己的团队所能胜任。同时他也认识到,只有开放大范围的数据合作、分享,才可能避免重蹈韦伯时代的覆辙。

于是,他又展开一次机构改革,创建了一个“LIGO科学合作组织”(LIGO Scientific Collaboration),邀请全世界的科研人员自愿加入,协助由加州理工学院、麻省理工学院所共同管理的汉福德、利文斯顿两个干涉仪实验室的工作。巴里什指定韦斯担任合作组织的第一任发言人,其后的发言人则定期由组织的成员选举产生。

2007年,LIGO科学合作组织与Virgo正式签署协议,进入几乎是合并的共同运作模式。两边的科学家不分你我,展开全面的技术合作,实时分析所有数据,共同发表论文、发布新闻。Virgo的加入不仅能够为LIGO的两个干涉仪提供进一步的独立验证,而且还提供了地球上的第三个探测点。如果三个干涉仪探测到同一信号,便可以进行“三点定位”的几何计算,比两个探测点更能准确地确定引力波的来源所在。

时至今日,LIGO科学合作组织已经拥有1200多科学家成员,代表着18个国家、108个科研单位,其中包括中国北京、台北的两个清华大学和香港的中文大学。引力波的探测不再是几个科学家在实验室中的梦想,不再是个别国家的壮举,而成为全球性的事业,全世界科学家共囊的盛举。
参与LIGO科学合作组织的部分大学和科研机构。


除了极少数科学界人员,LIGO的使命并不为外人所知。尤其是在比较封闭、落后的路易斯安娜州,当地人对这个坐落在森林中形状诡异的庞然大物甚是好奇。有人认定这是政府与外星人联络的秘密基地;有人则认为这是一个穿越时间旅行的港口——那两条长臂正是一条通往过去,一条连接未来。

更有甚者,有好事者竟把这些平常没有什么人员活动的建筑当作靶子练习射击。当工作人员赫然发现墙壁上有嵌入的子弹头时才知道其中厉害。联邦调查局介入了调查,也无可奈何,只是建议他们增建更牢固的外墙做保护。巴里什则亲自深入群众,到当地的狩猎俱乐部拜访、座谈、共进午餐,和善地解决了问题。

荒漠、遗弃了的汉福德附近没有多少闲杂人等,却也不尽太平。有一次一位保安人员一时兴起在深夜荒地里飚车,失去控制后撞上了干涉仪长臂的混凝土外壳。他自己多处骨折,侥幸保住了性命。对LIGO来说,更幸运的还是事故的撞击力只造成长臂真空系统的细微泄露,很快得以补救。如果撞得更狠一点,造成大规模的真空损失,那整个干涉仪便要停工很久才能重新恢复、建立其超高标准的真空。

人为的事故只是偶然发生,LIGO的工程师更为专注的是可能存在的环境干扰。

为了精确地掌握各种噪音来源,两个地点的工作人员都花费大量时间精力调查可能的干扰源,在附近的公路、工业和输油用管道等部位安置了大量的灵敏地震仪(seismometer)监测振动,为干涉仪中悬挂反射镜的“主动隔离”系统提供参考数据。这些不同来源的噪音发生在不同的频率段,有着各自特定的频谱“指印”,可以在干涉仪数据中辨识。

汉福德往西大约300千米便是美国的西海岸,太平洋的波浪时刻都在冲刷着岸边的沙滩和礁石。利文斯顿距离墨西哥海湾更是不到那一半的距离。即使在风平浪静的日子里,海浪有规律地拍击也是干涉仪可以清楚地探测到的环境噪音之一。

在几乎所有的环境噪音干扰源都核查清楚后,利文斯顿的人们遇到了麻烦。他们发现有一个经常发生、颇有规律的噪音无法辨认出来源。他们投入了整整一个夏天,依然是令人沮丧地莫名其妙。终于,在一个宁静的临晨,韦斯在驾车上班的路上无意中瞥见森林里有人在砍伐树木。他灵机一动,立刻登上楼顶的高处观望,同时与在监听噪音的工作人员电话联系。果然,每次他看到一颗树倒地,工作人员便同时观察到那个不明噪音的信号——他们的干涉仪已经灵敏到足以回答那个亘古难题:“假如一棵树在森林中倒下……”

为了杜绝这一干扰,巴里什曾试图买下干涉仪周围更大范围的地盘。但拥有这片森林的林业公司乘机抬起高价,超出了政府科研预算所能承担的标准。于是,工人伐木便也成为干涉仪悬挂系统需要对付的常规噪音之一。
LIGO对环境噪音实时监控截图。左上是邻近海浪拍岸的“水声”,右上是人类砍伐树木的动静(中间的空白部分便是工人午饭、休息的间隙)。

2001年5月,初级的iLIGO终于进入试运行。经过几年的辛勤调试,其灵敏度从10-19逐渐改进到10-21,达到了预先设计的目标。这一成功不仅令科研人员欢欣鼓舞,也最后不再有疑义地赢得了国家科学基金会的信任。2008年,基金会顺利地批准了下一步建造升级版的aLIGO的后续资助。

在aLIGO能够到来之前,iLIGO保持运转状态,凝听着宇宙的静谧。在这个灵敏度上有没有可能撞上大运,正好收听到引力波的轻弦一拨?所有人都在翘首以待着。


(待续)



Sunday, May 27, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十三):挑战前所未有的灵敏度

在十来年的内斗中一直是旁观者的布拉金斯基觉得韦斯、索恩、德瑞福从一开始就犯了一个致命的战略错误:他们都以为激光干涉仪是一个整体,必须齐心协力地研制。在他看来干涉仪实际上有两个可以分开的部分:一个是挂好反射镜,让它既能随引力波荡动又不受周围环境的影响;另一个则是设计出激光测量系统,能够灵敏地察觉到反射镜的动静。

其实,这就是费曼当年在他所谓的“粘珠论”中指出的,测量引力波需要两个既联袂又分离的东西:“珠子”(反射镜)和“棍子”(激光测量系统)。

如果三驾马车当时有这个眼光——如果德瑞福不是那么坚持独揽全局——麻省理工学院与加州理工学院两个团队完全可以一个做珠子一个做棍子。这样的各自为战反而有可能避免因为个人性格冲突所带来的那一系列近乎你死我活的矛盾。


与沃格特不同,巴里什不是单枪匹马来到LIGO。他知道现有的团队存在着太多的人事纠缠,需要改换一个面貌。上任伊始,他便把多年的好友、超级对撞机项目上的合作伙伴桑德斯(Gary Sanders)请来做副手。两人抓住超级对撞机被撤销的契机,招聘了一批突然失去项目被闲置的人才。他们里面既有各方面的技术骨干,更多的倒是具备大科学工程管理经验的能手。他们不只是来增援的大军,更像是来接管的后续部队。

他们发现很多依然停留在大学实验室小作坊模式、缺乏应有合作的习惯。重要的控制电路设计还是以传统的模拟电路(analog circuit)为主,没有采用更先进的数字化电路。更离谱的是,这些模拟电路的设计、调试常常只由一两个深谙此道的老手负责,旁人无从染指。经历过德瑞福、沃格特的两次大折腾,他们中一些人有如惊弓之鸟,为了自保居然会把技术资料牢牢地锁在文件柜里,密不示人。

巴里什为人随和,不会像沃格特那样经常粗暴发火。但作为负责人他知道制定规范、统一标准的重要性。他立即杜绝了个人保密、私营的做法,建立起所有的技术设计都必须在项目内公开讨论、评议,形成文字记录的制度。同时,电路设计也全面开始了从模拟到数字化的升级。

干涉仪中作为棍子的那一半最关键的是激光器。巴里什注意到他们用的还是1980年代最先进的氩离子(argon ion)气体激光,却没再能跟上时代的步伐。1990年代以来,功率更高、频率更稳定的固体激光器已经异军突起,取代了气体激光的地位。然而,更换激光光源对于整个干涉仪来说是一个犹如脱胎换骨的大手术。固体(Nd:YAG)激光器的光波长在近红外波段,不是原来用的可见光。因此,所有与光束接触的镜面、仪器表面的镀膜都需要重新设计、更换和调试。这个过程中整个干涉仪必须下线、停工大半年。持续处于预算拨款岌岌而危之压力下的沃格特一直没敢冒这个风险,于是激光器的更新便永久性地停滞不前。

新官上任的巴里什几乎立即就下了这个决心。

从可见光转向红外光也给干涉仪复杂的光路调试增加了不小的难度,因为不再能直接用肉眼观察光束的走向。巴里什带来的新团队正好大显身手。他们在加速器试验中早已习惯于对付看不见摸不着的基本粒子流束,精于设计、安置探测器追踪不可见的激光走向。

一时间,LIGO焕然一新,显示出勃勃生机。

自然,不是所有人都能接受、适应这场大刀阔斧的变革。原来追随德瑞福、沃格特的那些年轻人眼看着自己的宝贝被“外人”侵占、接手很是不满。他们一个接一个地选择了离开、另谋他就。从一开始就投入这个事业的“元老”级职员陆续流失了近乎一半。

被废黜的沃格特却依然对项目恋恋不舍,他希望能继续参与。巴里什同意了,让他独自负责一个小组。不过很快巴里什就后悔了这个决定,因为沃格特显然不是一个能在他人手下打工的角色。不久,沃格特也知趣地退出了。

但沃格特过去的学生、与他私人关系最为紧密的惠特科姆选择了留下,成为项目中承前启后不可或缺的桥梁。惠特科姆为人低调、忠厚,几乎能与所有人融洽相处。在巴里什的团队里,他依然如鱼得水,很快成为对干涉仪技术掌握得最全面的大拿。


干涉仪中作为激光测量系统的激光器、分光镜、探测仪等等装置都是费曼的棍子。它们需要异常稳定,不受周围环境以及引力波的影响。因此,所有的仪器都被固定在防震装置上,可以做到“纹丝不动”。

为了避免空气分子对激光的散射干扰,激光光束走过的干涉仪4千米长臂是封闭的不锈钢管道。它们有1.2米宽,里面用强大的抽气机抽成真空,压强达到地球大气压的一万亿分之一。这两条长臂因此成为地球上最大体积的极高真空,甚至比地球大气层之外的太空还更“空”几倍(因为有宇宙射线和其它粒子的存在,太空并不是完全的真空)。

如果说这些都还不难做到的话,干涉仪的另一半——作为“粘珠”的反射镜如何悬挂则是最为严峻的挑战。

费曼那时候说得很简单:珠子和棍子之间可以“自由运动”,或者“稍微有点摩擦阻力”,便可以通过它们之间的相对运动和摩擦生热知道引力波带来了能量。他之所以能够如此轻松潇洒,是因为他是理论物理学家:他只需要嘴皮功夫的“假想实验”,不用去纠结背后的实际困难。

钓鱼的人把装上诱饵的鱼钩沉入水下时,他们看不见鱼儿的动静。于是他们在鱼线上拴上一个浮漂露在水面,在鱼线被拉扯时会抖动,告知渔翁有鱼咬钩了。费曼的珠子就如同这样一个浮漂,用来标识引力波的到来。

在鱼咬钩之前,水面风平浪静,浮漂随波荡漾,没有什么动静。鱼咬钩是一个剧烈的动作,非常容易辨别。费曼的珠子却恰恰相反。

无论有没有引力波,地球上的“珠子”都时刻会随着大到地震、小到附近有汽车来往、大风从坡上吹过等随机事件在“抖动”着。而引力波来到时,它的效果却微不足道,只是10-22量级上的小微扰。这如同是在大鱼与鱼线激烈拼搏时观看浮漂的运动,试图从中辨识出平静水面的细微荡漾——还要再难上千亿倍。

当年韦伯正是因为没能完整地辨识、剔除环境影响才误报了对引力波的成功探测,因此陷入职业困境,近乎身败名裂。

韦斯、德瑞福、布拉金斯基等人是实验物理学家,他们不能像费曼那样大言不惭,而必须把假想变成现实。为了不重蹈韦伯的覆辙,他们就只能面对这个实际的挑战:如何设计好棍子与珠子之间既分离又耦合的关系,使得他们既能隔绝环境影响又能灵敏地感触到引力波那10-22的微颤?


在各国的同行们都放弃了韦伯棒转向干涉仪之后,布拉金斯基在莫斯科大学还一直倾力于他自己设计的改进版韦伯棒。直到1980年代后期,他在访问加州理工学院时亲眼看到德瑞福在40米干涉仪上已经达到的灵敏度时才领悟到韦伯棒已经不再有竞争的资格。他回到莫斯科后就不由分说地宣布改弦更张,放弃韦伯棒而转为利用他们的经验协助索恩仔细检查、梳理干涉仪设计的诸种细节,发现了好几个当时尚未被察觉的环境影响源。好朋友索恩无比感激,赞誉布拉金斯基为“LIGO的良心”。

1991年,苏联在经历一系列动荡之后终于解体。其国民经济陷入崩溃,庞大的科学研究体系也随之分崩离析。学术界一片风声鹤唳,从一流的大师到博士后、研究生均树倒猢狲散,各显神通到西方自谋出路。索恩说服沃格特动用加州理工学院的资金为布拉金斯基实验室提供了一年的紧急援助,然后安排由美国私人的索罗斯(George Soros)基金会接单,保证了这个团队没有溃散,成为LIGO在美国境外的成员。

对精密测量浸淫极深的布拉金斯基便领衔负责悬挂镜子。

在韦斯之前,两个苏联人以及韦伯和他的博士后伏华德都曾提出过用激光干涉仪探测引力波的想法,伏华德还制作过一个样机。但韦斯是第一个提出用悬挂起来的镜子——作为费曼的粘珠——来显示引力波。他的想法是基于悬摆的特性。

用一根细绳拴上一个重物吊着,就是一个悬摆。如果提着绳子的手慢慢地横向移动,重物会随着手平移。但是如果手是很快地左右晃动,下面的重物却只会轻微地抖动,并不完全跟随手的动作。这样悬摆就隔离了重物与手之间的运动。把干涉仪的镜子悬挂起来,镜子(珠子)与悬挂的支架(棍子)便有了分离。

初期的干涉仪(iLIGO)便是这样一个简单的悬挂装置。那个镜子重11千克,用金属丝直接吊起。
韦斯在演示激光干涉仪中挂反射镜的悬摆原理。

悬摆的隔离效果与重物的重量有密切关系。下面挂的东西越重效果越好。而如果在已经悬吊着的重物之下再吊上另一个重物,则会有更明显的效果:如果中间的重物还会因手的动作而抖动的话,最下面的重物几乎毫无反应。

增强版干涉仪(aLIGO)在这些方面做了大幅度的改进:镜子变大了许多:直径34厘米,厚20厘米,重达40千克。除了增加稳定性之外,镜子——在干涉仪中也被称作实验质量(test mass)——越重,自身的惯性也越强,在激光照射下因为光子的动量而被推动的影响也越小。

新的镜子更是用多达四层的悬摆装置逐层悬挂,最底下直接吊着这个镜子的悬摆用的是直径只有0.4毫米的熔融石英(fused silica)丝。这是所能找到的最纤细而又能够承重的“细绳”。
iLIGO(左上小图)和aLIGO(大图)悬挂镜子方式的比较。

四级悬摆的结构不仅大大增强了对镜子与支架之间的运动耦合的隔绝,还提供了人为控制镜子位置的可能。这些悬架中植入了一些非常灵敏的控制设备,可以“反制”悬架本身的运动。无论是因为环境影响还是引力波,镜子的移动立即会被激光干涉信号探知。这个信号反馈进入控制电路,启动相应的电机,“第一时间”抵消干扰而保持镜子的位置不动。

这个利用负反馈保持镜子恒定的“主动隔离”(active isolation)与我们日常能用到的消噪耳机是同一个原理。这样,镜子可以始终“锁定”(lock)在同一个位置,正好满足德瑞福设计的法布里—珀罗谐振腔的要求:光源和镜子之间的距离保持恒定,也就是保持其中的激光处于谐振状态。而镜子的位置锁定后,它的“运动”可以通过记录反馈、控制电路中的电流而得知。

aLIGO的反射镜本身也是一整块非常纯的熔融石英。与金属或其它材料相比,这种玻璃的自身分子活性非常低,基本上没有热运动。无论是作为镜子还是细绳,都不会自己产生扰动、变形。
两个熔融石英制作的LIGO反射镜。

反射镜的表面涂有十几层专门为固体激光器的红外激光设计的薄膜。涂膜后的镜子表面光滑到纳米级,能够把到来的激光几乎全部反射回去。其实在这里,“几乎全部”是远远不够的。LIGO的反射镜达到的标准是每3百30万个光子中,只有一个光子会被镜子吸收,其余全被反射。
LIGO工作人员在检查涂膜后的反射镜镜面。

那么,那3百30万分之一的“幸运”光子被吸收是不是就可以被忽略了呢?非也。在10-22的精度要求下,再细微的瑕疵也一个不能放过。反射镜吸收了光子的能量会造成表面的细微变形。于是,除了主激光之外,还专门设计了另外的二氧化碳激光以精确调制的光束同时照射反射镜其它部位,以保证反射镜受力、受热的均衡,不带来意外的惊讶。

类似的例子还有很多很多。真实落成的激光干涉仪虽然在架构上仍然与韦斯当年的设计草图基本一致,其实际的光路、控制电路等等却是远远复杂得多。这是一个集当代最新、最高级的精细技术之大成的杰作。

为了实现前所未有的灵敏度,LIGO的科学工匠们事无巨细、精益求精,已经是无所不用其极。


(待续)



Wednesday, May 16, 2018

捕捉引力波背后的故事(之十二):柱面引力波与激光干涉仪

1930年代的爱因斯坦在推导引力波时曾经走了不少弯路,几经反复后才在罗伯森教授不动声色的协助下找到了引力波的数学形式。与熟悉的电磁波不同,引力波的主导表现形式不是平面波或球面波,而是很少见的柱面波。
引力波三维波形,在顺着传播方向上呈现圆柱形。

也正是因为这个柱面波,激光干涉仪才有了其用武之地。

柱面的引力波在与其传播方向垂直的横截面上表现为在该面上的两个垂直方向运动方向相反。东西方向在被拉长时,南北方向正好在被压缩;反之亦然。引力波经过时,横截面的空间便不断地在相继拉长和压缩。这样如果我们测量东西方向的长度与南北方向的长度,因为它们一个在拉长、一个在压缩,正好能够看出长度上出现不同。
引力波波形横截面的运动模式,在互相垂直的方向上运动方向正好相反。

费曼当年演示他的“粘珠论”画出的草图便是两个垂直方向的粘珠会有相反方向的运动。韦斯因此设计出他的激光干涉仪:在两个互相垂直的方向悬挂反射镜,测量两个光臂距离之差别而探测到引力波。

如果引力波恰巧从天顶(或地底)到来,那么沿着地面修建的干涉仪长臂正好是在其横截面上,两个长臂的长度一个会拉长另一个则会缩短而出现差别。这时的测量灵敏度会最高。如果引力波来自其它方向,那么干涉仪只能测到一定角度修正之后的效果,灵敏度大大折扣。而顺着地面而来的引力波就基本上不可能被测到了。

问题是,需要什么样的灵敏度才能实际地测量到引力波?


初生的婴儿躺着就可以自己手舞足蹈。小家伙逐渐能翻身、坐起、站立、行走、奔跑、跳跃……我们看着孩子这样地长大,不会去想到这是一个与重力较劲的过程。我们脚底下的地球非常庞大,它的质量所产生的引力足以把我们牢牢地束缚在地面。但这引力同时却也相当弱小,我们并不需要多么粗壮的肌肉就可以——至少暂时地——战胜它。

强壮的肌肉还可以让我们能够做更多的克服地球引力的事情,比如提举重物。人类还发明了各种工具,从简单原始的杠杆、滑轮到现代的巨型起重机。它们和肌肉一样,都是利用电磁作用力降服重力。至少在地球上,重力在电磁力面前不是对手。

不仅引力与电磁力相比本身就显得微弱(严格来说,它们之间并不具备直接可比性,故为“显得”),与相应的电磁波相比,引力波却又更弱了好多。

当年只有一支笔、几张纸的爱因斯坦对付复杂的广义相对论场方程还没有很好的数学手段。但他知道,相对论效应只在非常高速、非常大质量情况下才会凸显。在低速、小质量条件下便回归为经典牛顿力学。这样,可以从已知的经典解出发,用数学上级数展开方式逐步引入速度、质量带来的修正,便可以逐渐趋近相对论的结果。

在求解水星公转轨道近日点的进动时,爱因斯坦发现主要的修正来自水星的速度。修正项级数取决于水星速度与光速之比(v/c)。第一级修正值为零,广义相对论效应在第二级((v/c)2)中出现。修正后的数值果然比牛顿力学结果更符合实际观测,解开了一个物理学家困惑多年的谜,也是广义相对论的第一个成功验证。

他如法炮制,但展开到第四级((v/c)4)后依然没能看到引力波的踪影。于是他向施瓦西抱怨说这是因为引力不同于电磁力,没有偶极子。电磁场中有正负两种电荷,可以组成现成的偶极子。最强的电磁波便是由偶极振荡的辐射而产生。引力场来自质量。因为只有正质量而没有负质量,故不存在与电磁波对应的偶极振荡引力波。

爱因斯坦当时这个解释本身其实并没有错,他只是在引力波是否存在的问题上有点操之过急。我们现在知道引力波的确不可能由偶极子振荡产生,而是更高阶的四极子。在数学上需要引入更高的((v/c)5)展开项才能出现。因为通常情况下星体运动的速度远远小于光速,这个项的幂指数越高,修正效应越小。所以,除非速度接近光速,引力波的效应是微不足道的。

再因为是更高阶的效应,四极子振荡所产生的辐射强度远远小于偶极子。因此,即使高速情况下引力波的强度对比于相应的电磁波也会弱很多。在爱因斯坦研究的稳定轨道条件下,完全可以忽略不计。这正是我们不必担心地球绕太阳公转的运动会因为引力波能量损失而发生轨道塌缩的根据。

那么,韦斯他们又怎么能指望探测到引力波呢?

索恩自从在那本《引力论》教科书中轻率地否定激光干涉仪的灵敏度可能探测到引力波而被韦斯在旅馆房间里开小灶“教育”之后,就一直致力于这方面的研究。与爱因斯坦不同的是,他不仅有更成熟的现代数学工具,还可以用威力越来越强大的超级计算机进行模拟计算。

我们的宇宙是一个非常热闹的世界。除了像太阳系般的稳定轨道运动之外,还有太多的丰富多彩的“事件”,诸如超新星爆发、星体碰撞、黑洞吞噬等等。它们也都会引发不寻常的引力波。经过多番计算,索恩发现最有可能探测到的来自双星系统的崩塌:两个黑洞组成的双黑洞、一个黑洞和一个中子星、双中子星……等等。黑洞、中子星的双星系统之所以最引人注目,是因为它们的质量密度非常大,广义相对论效应非常强。两个这样的星体接近时,它们的速度也会越来越快,以至于接近于光速而使得(v/c)的比值不再那么极端渺小。

泰勒、赫尔斯和韦斯伯格等人对中子双星的追踪观察已经让这样的计算摆脱了纸上谈兵的困境,成为获得了验证的现实。双星系统的轨道的确在严格地按广义相对论描述的那样因为引力波辐射损失而逐渐塌缩。在这个过程中两个星体会越来越接近,速度越来越快,而发出的引力波也越来越强。直到最后那一刻,两个星体直接撞上、合二为一,激发出一个最强烈的引力波脉冲。然后,一切又会再度趋于平静。

美中不足的是,即使是那“惊天动地”的碰撞,所激发的巨大引力波“海啸”在抵达地球时也会已经耗散得几乎虚无缥缈。因为这些黑洞、中子星离我们都是异常地遥远。(这当然也是我们的福气,否则我们的太阳系没法稳定地生存。)

正如泰森在国会作证时所指出,引力波脉冲到来时,不过是把“绕地球一千亿圈的距离……改变不到一根头发丝厚度”。地球的周长大约4万千米。乘以一千亿是4x1015千米,大约是400光年。也就是说,我们要在光需要花400年才能走过的距离上寻找“不到一根头发丝”的变化。这大约需要达到10-22的灵敏度。

换一个说法是,LIGO的臂长是4千米,10-22灵敏度意味着我们要能测出这个臂长发生了比质子直径小一千倍的变化。这个精度要求在当时以及现在所有精密测量中都是绝无仅有的。

而也如泰森所言,因为这个变化只是来自双星合并那一刹那的辉煌,只有一个短短的、零点几秒的脉冲可供我们捕捉。

LIGO计划中所要求的2亿美元预算,韦斯、德瑞福、沃格特等人孜孜不倦地追求,便都是为了实现这个10-22灵敏度的目标。


巴里什接手LIGO后几乎立刻就看出沃格特申请的2亿美元——虽然听起来庞大——远远不够用。经验丰富的巴里什系统地审视了现有的团队、设计、技术方案,发现他们无法胜任10-22的目标。他必须重新组织团队结构,改变管理方式,更新技术手段,甚至将有些已有的设计重新从头再来。但迫在眉睫还是要力挽狂澜,挽救这个濒临死亡的项目。偏偏在这一点上他的处境突然变得双倍的艰难:他不仅要重新赢得基金会和国会的信心、信任,还必须说服他们反过来大幅度地增加预算。

经过一番斟酌,巴里什决定铤而走险,采取“丑话说在前头”的策略,乘着基金会对他这个新官还比较宽容的短暂“蜜月”机会,摊牌提出需要把预算增加至3亿美元。当然他不是只伸手要钱,还提出了沃格特一直未能提供的具体实施计划:

首先在两个已经选定的地点立即开工,在四年内完成实验室建筑、干涉仪长臂需要的管道和真空系统等一系列基础设施。同时继续在实验室里改进、完善激光、探测仪、镜片、电路等仪器。等基建完成后,再用两年半的时间在现场装置、调试这些仪器。这样,正好在世纪之交到来时,LIGO就可以开始正式运行,万事俱备等待着引力波的到来。

不过那时完成的还只是一个初期的“天文台”(initial LIGO),其主要目的是完成所有的安装和调试,进入实际运作状态以摸索、掌握所需要的各种技能和管理策略。这个天文台的的灵敏度还不足于10-21。是否能探测到引力波呢?这取决于能否凑巧碰到有距离很近的双星合并。如果运气好赶上了,也许就能测到。但那只是一个过于乐观的期盼,是一个有可能但不现实的目标。

巴里什计划的关键是在初期天文台的调试、运作期间,原有的科技团队还同时进行仪器的全面升级、现代化,准备推出下一代的增强版天文台(advanced LIGO)。大约在2010年左右,初期天文台将停止运作,其内部所有仪器全部拆除,更换为升级版的新仪器。这个增强版将会大大增强灵敏度,冲击10-22,是真正探测到引力波的希望。

1994年那个夏天,巴里什和索恩在首都华盛顿特区展开魅力攻势,竭尽全力地游说,终于赢得了基金会的首肯。基金会新上任的主管还罕见地亲自为他们背书,向上级推销这个计划。奇迹般的,3亿美元的新预算很快得到了通过。

不久,华盛顿州的干涉仪所在地破土动工。1995年初,路易斯安娜州选址也开始了建设。韦斯的小小激光干涉仪终于迈出了离开大学实验室、走向现实大科学的第一步。



(待续)


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