令人興奮的傳言：引力波已經被探測到了？

2016年01月15日 09:52   環球科學


　　撰文 達維德·卡斯泰爾維基(Davide Castelvecchio)

　　翻譯 丁家琦

　　審校 韓晶晶

　　引力波是愛因斯坦廣義相對論最重要的預言之一，而於2001年首次投入運行，2015年升級重啟的激光干涉引力波天文台(LIGO)就是專門為探測引力波而建設的。從去年9月開始，關於它已經觀測到引力波的傳言不斷，而就在前幾天，又有物理學家在網上流出小道消息，終於引爆了大量媒體的報道。

　　Nature網站為大家梳理了這些傳聞中的事實和謠言，並預測何時會有官方宣布發現引力波。

　　傳言講了些什麼？

　　根據愛因斯坦的廣義相對論，超大規模的天文事件，如兩個黑洞或中子星的合併，會在時空中產生波紋，即引力波。

　　傳言最初出現在九月，美國亞利桑那州立大學的宇宙學家勞倫斯·克勞斯(Lawrence Krauss)發了一條推特稱LIGO已經觀測到引力波，而最近出現的最具重量級的傳言來自理論物理學家盧博什·莫特爾(Lubo? Motl)寫的一篇博客，他稱，花費了2億美元升級的新LIGO自去年9月開始收集數據以後，其兩個探測器都已發現了兩個正在合併的黑洞產生的引力波。

　　普林斯頓大學研究廣義相對論模擬的專家弗蘭斯·比勒陀利烏斯(Frans Pretorius)說：「如果消息是真的，這將是我們人類以最直接的方式觀測黑洞。」

　　那直接參與LIGO實驗的物理學家怎麼說？

　　他們口風很緊。「我們還在收集數據，對早期數據的分析也沒有完成。」路易斯安那州立大學的物理學家，同時也是LIGO發言人的加布里埃拉·岡薩雷斯(Gabriela González)說。

　　岡薩雷斯說，第一期數據採集於1月12日結束，但對這4個月探測數據的分析結果最早也要到二月才能公布。這期實驗結束后，LIGO馬上又會關閉，進入又一次為期9個月的升級，以進一步提高靈敏度。再次升級重啟之後，它將與歐洲的同類探測器「先進Virgo」(Advanced Virgo)聯合觀測。

　　LIGO有可能已經觀測到引力波了嗎？

　　這是有可能的。LIGO的干涉儀有4千米長的真空管，在真空管中安放了反射鏡來反射激光。引力波經過時，會拉伸和壓縮空間，使真空管的長度發生微乎其微的改變，這種變化可根據激光干涉條紋探測出來。



　　廣義相對論預測兩個距離很近的大質量天體在互相繞轉時距離會越來越近，一開始速度很慢，然後越來越快，直到最後合併在一起，同時會扭曲周圍的時空，並把擾動往四面八方傳遞。

　　以LIGO探測器目前的靈敏度，只能觀測到10赫茲以上的引力波，所以如果他們觀測到了引力波信號，這信號必定來自於黑洞互相繞轉頻率超過每秒10次的時候，即合併前的最後階段。模擬顯示，如果把這種情況產生的引力波以聲波形式播放出來，聽起來會像鳥鳴聲。

　　「如果廣義相對論是正確的，那麼信號就應該與這一模一樣。」比勒陀利烏斯說。他在2005年首次完成了黑洞合併的全計算機模擬，詳細預測了該現象產生的引力波的大小和波形。

　　所謂「信號」，會不會只是來源於一個誤差？

　　這也是可能的。LIGO探測器花了很大力氣來減少無關的振動產生的誤差，但他們的團隊仍需謹慎分析，以防所謂的「信號」只是場空歡喜。哪怕是附近路過的一輛卡車，也可能會成為誤差來源。

　　不僅如此，實驗初期所觀測到的「信號」，說不定還有可能是來自高層的「陰謀」。LIGO團隊中的三名成員有秘密操縱反射鏡的許可權，他們可以人為製造出「天體現象」的特徵，直到其餘成員準備宣布「新發現」之前才會公布這到底是不是他們製造的假信號，這一過程稱為「盲注入」(blind injection)，可以檢驗裝置是否正常有效地運行。LIGO在此前2007-2010年的運行階段就經歷過兩次這樣的演習。

　　但去年9月份發推的物理學家克勞斯說，他聽到的消息稱，LIGO在正式運行前的試運行階段就看到了信號，那時候正式的數據收集尚未開始，所以也沒有盲注入過程。(但Nature向克勞斯詢問時，他表示自己也不知道更多的詳情了。)


　　但LIGO的研究者並不會馬上開始分析這麼早期的數據。LIGO數據分析組組長，喬治亞理工學院的物理學家勞拉·卡多納蒂(Laura Cadonati)說，他們需要先對數據產生足夠的了解，知道各種類型的虛假信號出現的頻率之後，才能開始著手分析如此早期的信號。

　　是否有這樣一段時期，在不會有盲注入的情況下，兩個探測器同時出於工作狀態？ LIGO合作組拒絕回答。

　　LIGO的物理學家們對這些流言怎麼看？

　　岡薩雷斯對此有些惱火。她說：「我擔心這會給廣大民眾和媒體帶來過高的期望。」

　　但卡多納蒂說，她覺得這些流言蜚語反倒能成為一針強心劑。「消息走漏發生得如此之早，說明這就是我們必須學會適應的情況。它意味著我們正在進行的研究吸引了很多人的關注。」

　　如果真的探測到了引力波，這將是里程碑式的事件。LIGO合作組的一員，西澳大利亞大學的物理學家戴維·布萊爾(David Blair)說：「這意味著什麼呢？這就好比我們人類之前都是聾的，現在卻忽然能夠聽到來自宇宙的聲音。」