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《引力波:发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图”》尾声

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Epilogue

2015年9月14日,星期一,由于两个LIGO天文台还没有完全准备就绪,原计划于当天上午8 : 00启动的高新探测器的第一次科学运行(O1)被推迟了一周。在科学运行期间,探测器将始终处于锁定状态,以便在不受干扰的情况下收集数据。第一次科学运行被推迟之后,他们延长了第8次工程运行(ER8)的时间,以便检测系统,进行最后的调试。工程运行的任务按照由高到低的优先程度排列,包括提高稳定性、让探测器保持锁定状态、让警报触发器处于待命状态。算法流水线自动执行一部分数据分析任务,在数据流中搜索有价值的信号。但是,算法流水线向负责观察的合作伙伴(即望远镜和人造卫星的操作人员。他们在接到警报之后,负责搜索相应的光学信号)发警报的程序还没有准备好。尽管探测器已经就位,但是算法流水线只能履行部分职能,因此操作人员还给自己安排了收集数据的工作。但是,他们在做这项额外工作时并不是非常仔细,工作的连续性也无法保证。

由于是多风的季节,暴风从阿留申群岛、墨西哥湾或加拿大沿海地区拉布拉多吹过来,导致这里的微弱地震的发生频率居高不下。风雨对大陆架的冲击以及地震活动都有可能导致探测器脱开锁定状态。因此,两个LIGO天文台都遇到了麻烦。9月13日,星期日,汉福德的探测器在夜幕刚刚降临的时候进入锁定状态。一名研究生在星期日的深夜开始做测试,直到周一凌晨1 : 00才结束。这个周末,雷纳是在利文斯顿天文台度过的,一个无线电噪声源让他心情烦躁。他告诉我:“幸好,我的妻子让我必须马上回家。”留在利文斯顿天文台的人继续做测试,直到周一的黎明之前,他们才从沮丧中解脱出来。探测器终于进入锁定状态。

探测器进入不受干扰的观察模式之后,有一个不到一个小时的最佳探测期。汉福德和利文斯顿的探测器都记录了一个脉冲信号,时间分别是凌晨2 : 50和凌晨4 : 50。两个天文台的控制室里各有一名值班的操作人员,但是这两个人可能都没有听到任何异常的声音。信号维持的时间太短,人耳根本来不及分析处理。

在数据记录进行了不到300秒钟的时候,算法流水线发现了一个值得关注的事件,并悄悄地记录下来。欧洲人起床之后,习惯性地查看工作日志。由于算法流水线经常报告潜在的可能目标,因此他们看到这个发现可能信号的报告时,没有任何特别的反应,而是平静地拿起电话,核实两个天文台的探测器状态。两名操作员报告:一切正常。

他们锁定了探测器,开始收集背景噪声,直到几个小时之后两个天文台的探测器脱开锁定状态,进入离线状态。这时候,迈克尔·兰德里上班了。他开始查阅工作日志,并发现通信量非常大,人们还对这个可能的信号提出了各种各样的猜想。迈克尔立刻告诉自己,“这肯定是一次盲注”,即故意在数据流中悄悄地注入一个虚假信号,目的是检测合作组织的准备情况以及处理真实信号的能力。迈克尔对盲注小组(包含三名科研人员,任务是完成盲注测试)的这次行动有点儿恼火。他暗暗地想:“他们想干什么?我们还没准备好呢。”他开车去汉福德天文台参加周一上午8 : 30的例会。碰巧的是,盲注小组的一名成员正好在场。迈克尔耐心地问他:“我们现在已经进入盲注阶段了吗?”出于对盲注规则的尊重,迈克尔不能明确地问是否有盲注测试。如果那样问,盲注小组既不会表示肯定,也不会表示否定,而是拒绝回答。但是,他可以询问他们是否进入了盲注阶段。那个人显得有点儿慌乱,回答说:“没有。”

“你们开始盲注测试了吗?”

“没有。”

“你们已经进行常规注入测试了吗?”

“没有。”

迈克尔想是不是自己的表述不够准确,于是他又问道:“你们有没有进行任何形式的注入测试?”

“没有。”

迈克尔想:“看来,这不是盲注测试。”他告诉我:“在意识到没有盲注测试之后,我彻底冷静下来。”

上午9点,迈克尔参加了这个国际合作项目每周一次的电话会议。在电话里,很多人纷纷发言,大部分人都跟他之前的想法一样,认为这很可能是一次盲注测试。杰米·罗林斯说:“我根本不相信这是真的。”在电话会议中,迈克尔站了起来,试图联系身在利文斯顿天文台的加布里埃拉·冈萨雷斯。最后,他告诉所有参加电话会议的人:“这次的异常信号不是盲注测试。”电话里传来加州理工学院艾伦·温斯坦的声音:“迈克尔……你再说一遍!”

2015年12月中旬,我收到LIGO项目负责人戴维·瑞兹发来的一封电子邮件。邮件的标题是:“本邮件涉及LIGO,注意保密”。瑞兹在邮件中写道:“9月14日,LIGO的两台探测器记录了一个异常信号,而且该信号与两个质量是太阳30倍的黑洞旋近及合并的现象一致。”他接着写道:“在过去三个月中,LIGO科学合作组织与Virgo天文台认真审查了这个信号。它们得出了一个非常肯定的结论,即我们第一次完成了引力波探测,并且观测到第一个双黑洞系统。”邮件的署名是瑞兹、雷纳和基普。“我们需要强调的是,相关论文可能在2月发表,在此之前,所有关于这次探测的信息都不能公开。”我不想告诉任何人,我的大脑有点儿混乱。在接下来的几个小时里,我静静地待在那里,试图想象这件事的具体情况,在大脑里重现黑洞碰撞、时空振荡、引力波传播的所有情景,以便从心底里接受这个事实。

黑洞碰撞传递给我们的信号,是宇宙大爆炸以来人类探测到的最强大的信号,引力波的强度是太阳光度的1023 倍。发生碰撞的这一对黑洞,一个质量是太阳的29倍,另一个是太阳的36倍。在碰撞之前,两个黑洞相互绕对方运行,探测器捕捉到了它们运行的最后4圈。此时,两个黑洞之间的距离仅为数百千米,运行速度非常接近于光速。当它们最终碰撞时,事件视界在它们附近发生扭曲,然后相互碰撞、合并,在振荡之中消除了所有不规整的部位,最后变成了一个质量是太阳的60多倍、寂静无声的黑洞。探测器记录的那个信号,包括黑洞最后几圈轨道运行、碰撞、空间振荡,只持续了200毫秒。探测器探测到干涉臂的长度发生了相当于质子直径千分之一的变化,正好在几十年前基普等人推断的变化范围之内。人们仍然认为这是一个响亮的信号,明显强于背景噪声。这个信号可以做声化处理,但在播放录音时必须放慢速度,才能辨明它的条理结构:当黑洞相互靠近时铃振声不断升高,新的黑洞最终形成时声音下降。数据还包含其他异常的地方,但都不显著、明晰。这种响亮的信号为什么如此少见,原因很难弄清楚。

完成这一次探测之后,LIGO迎来了广义相对论的100周年纪念日。1915年11月25日,爱因斯坦第一次对引力进行了几何描述。严格说来,LIGO科学合作组织成功实现了雷纳的目标,在爱因斯坦发表第二篇引力波论文的100周年纪念日到来之前完成了第一次探测。

雷纳说:“最重要的是,我了却了一桩心愿。”

他开玩笑说:“我的妻子突然对这个领域产生了兴趣。”碰巧的是,雷纳在美国国家科学基金会的老朋友里奇·艾萨克森也在9月中旬的那一周来缅因州看望他。就像怀疑有传染性一样,艾萨克森听到这个消息之后的第一反应也是不敢相信,他问我:“你相信吗?”有人甚至担心这个信号是黑客恶意注入的产物,雷纳也有这种担心。但是,要做到这一点,这名黑客对相关知识的了解程度,至少要与LIGO科学合作组织中最能干、参与程度最高的那些科研人员相差无几。谨慎起见,他们已经询问过符合条件的那几个人了。疑虑逐渐消退,人们在犹豫不决后兴奋起来。

基普说:“我当时一阵狂喜。”尽管业界的观点多年来一直摇摆不定,但是他一直认为第一个被探测到的引力波源应该是黑洞。黑洞的质量越大,碰撞的声音越响亮,传播的范围越远,被探测器成功捕捉的可能性越大,尽管符合这些条件的黑洞比较少。因此,基普关心的是这一刻何时会到来。

我告诉基普,那些实验人员认为第一次成功探测在几年内不会实现,他们建议我耐心等待。基普纠正了我的说法:“这些人中肯定不包括莱纳。莱纳每次都会跟我说,这次肯定有收获。”

我跟莱纳说到这件事的时候,他回答说:“我的确每次都会那样说。”

然而,当莱纳听到大厅里有人讨论那个可能的信号时,他却不为所动。他说:“我们默默地打开了机器。”一天之后,他才有机会查看那些数据。在他看来,那个信号简单得近乎荒谬,与理论推断得出的引力波没有任何显著不同。(几分钟之后,我利用自己的黑洞密码绘制了一幅图,用来模拟两个黑洞最后几圈轨道运行的情况与空间振荡形成的波形。)他希望对广义相对论提出质疑,还希望他参与建造的机器可以用来检测量子引力。他说:“我们需要加大研究的力度。”

雷纳陷入了幻想:“黑洞,这是前辈们梦寐以求的东西啊。它是纯粹的几何体,也是纯粹的时空合并。”但仅过了一分钟,他就从想入非非中清醒过来,担心起未来发展的问题。现在的探测器已经比第一代更灵敏了。两者之间的差别,从论文草稿中摘录的一句话就可见一斑:“这384个小时得到的双黑洞系统的观察数据比第一代机器得到的总和还多。”高新探测器的灵感度更高。雷纳继续埋头研究,以进一步降低探测器的噪声,让这些机器发挥更大的作用。为了履行诺言,让天文台全面发挥科研功能,整个团队还需要继续努力。

我说:“恭喜你,雷纳。就连我都激动得无以言表,很难想象你现在是什么心情。”

“我的确了了一桩心事,但是新的挑战又来了,你看看我现在遇到的问题就能理解我的心情了。”

几十亿年前,两颗巨大的恒星沿着轨道绕对方运行。这两颗恒星的周围可能有行星,但由于这种双恒星系统可能非常不稳定或者结构过于简单,因此它们周围有行星的可能性不大。最终,这两颗恒星相继死亡,形成了两个黑洞,在黑暗中相互绕对方运行。大约几十亿年之后,这两个黑洞发生碰撞,合并为一个大黑洞。最后的200毫秒时间里,它们朝宇宙发射出极其强大的引力波。

引力波跨越了14亿光年的距离,来到了地球。整整14亿光年!在引力波抵达地球之前的几个小时里,汉德福的探测器进入了锁定状态。还剩下一个小时的时候,利文斯顿的探测器也进入了锁定状态。那天晚上午夜时分,华盛顿州的科研人员结束了一天的忙碌,各自回家休息。路易斯安那州的科研人员沮丧地放下手里的工具,让探测器进入无人干扰的观察模式。不到一小时之后。引力波从地球南边的天空传来,掠过路易斯安那州时“叫醒”了利文斯顿的探测器,然后沿着与地面近乎平行的方向以光速传播。10毫秒之后,汉福德的探测器也有了反应。

第二天早晨8点时,这束引力波与地球之间的距离已经有20亿千米了。同往常一样,正在缅因州度假的雷纳翻开了工作日志,看看是否有人需要他提供帮助。结果,他发现日志中有大量红色标注的条目,而且内容都是关于两个天文台全面暂停所有活动的事。跟团队其他成员一样,雷纳也感到很奇怪:“到底发生了什么事?”

可以预见,他们将召开新闻发布会,发表科研论文。媒体的报道也将铺天盖地。美国国家科学基金会将收到各种资料、报告。原始的记录材料将被归档放入资料柜。我们还会继续向太空发送信号,宣告我们的存在,宣告我们希望相互了解,宣告我们偶尔也会取得成功,尽管大多数情况下我们都会遭遇失败。我们听到了黑洞碰撞的声音。我们将充分发挥聪明才智,把目光投向这些声音的可能来源,投向许多许多年前的那片时空。

在浩瀚宇宙的深处,在距离我们非常遥远的南方,那个巨大的黑洞将在星系中运行,在黑暗、寂静中等待星际尘雾或者迷途恒星从它的旁边经过。几十亿年之后,它的寄主星系可能会与某个“邻居”发生碰撞,将这个巨大黑洞喷射到远方。它也许会落到正在不断长大的星系中心,一个质量超大的黑洞正在那里等着它。所有恒星都会死亡,银河系将与仙女星系融为一体。宇宙中的一切,包括这次发现的相关记录、太阳系的残骸,最终都将被黑洞吞噬。在临近时间尽头时,膨胀的宇宙将陷入沉寂,所有的黑洞也将化为乌有。