2月份，麻省理工的雷射幹涉引力波天文臺LIGO宣布人類首次直接探測到了引力波，這一消息引發了全球關注。直接探測引力波的意義不僅僅只是驗證了愛因斯坦廣義相對論的預言，更是為人類了解我們所在的宇宙開闢了一個全新的窗口——由於引力波獨特的性質，我們可以利用引力波觀測探索電磁輻射等傳統觀測手段所無法企及的全新物理現象。而在五花八門的引力波探測器中，為什麼是LIGO笑到了最後?利用引力波，又真的能發現外星人嗎?……
《造就》特約記者帶著種種好奇前往麻省理工學院LIGO總部，希望讓LIGO首席探測科學家來親身敘述那些鋪天蓋地的報導新聞中遺漏的種種細節。
LIGO總部是位於麻省理工學院的奧爾巴尼街的一棟灰色大樓，外表平平無奇，但附近卻是一個建立在校園裡的核反應堆。這可真夠瘋狂的!
彼得 弗雷斯切爾(右一)
彼得 弗雷斯切爾(Peter Fritschel)是MIT的高級研究員，同時也是LIGO實驗室的首席探測科學家。有意思的是，我們了解到，他已經在引力波探測這個領域工作了差不多30年!即使沒有這次發現，他們整個團隊也會繼續堅持下去，開發新設備、新技術，持續地探測。也就是說，這個科學家耗了近30年去證明百年前另一個偉大科學家一個猜想驗證上，並且，在未來也會耗盡一生專注在成功概率極低的宇宙黑洞、中子波等等物流現象的探尋上。
他認為，這次引力波被成功探測到有兩大意義。第一、這不僅是LIGO，也是國際上其他探測器在幾十年不懈努力後，人類第一次真正探測到想像中的引力波。第二、這次探測到的引力波是由兩個大質量黑洞產生。這兩個黑洞都相當於太陽質量的30倍左右，且處於同一個二元系統中，相互環繞運行並逐漸靠攏，最終合併為一個黑洞。
這個發現開拓了引力波天文學的新領域，預計未來還將發現更多類型的引力波來源，而人類通過探索這類引力波來源的特徵，以及黑洞之間的質量差異等等，將會發現更多其他類型的天體系統，比如中子星和超新星等緻密天體。
從2010年開始，LIGO探測器開始升級，到2015年才完成升級的過程。其實探索引力波的工作，是從21世紀初就開始了，但因為早期的探測器沒有探索到引力波，所以LIGO設計了升級版。為了讓設備達到設計水平，LIGO採用增量策略，不斷調試設備、並且在提高靈敏度的漸進過程中順道收集更多的數據。「這個過程(從設計升級到完成升級)，基本上花掉了我們本世紀的頭十年。」
LIGO在2015年9月14日計算機模擬顯示兩個黑洞碰撞到空間和時間的扭曲。
LIGO在讓新探測器運行時，是逐步提升儀器的靈敏度到最大值，但其實尚未達到設計能力，目前儀器只達到設計靈敏度的三分之一。但新的探測器運行第一次進行數據收集工作就探測到了引力波。
彼得微笑著透露了一個細節：升級版探測器的數據搜集的工作是從去年9月開始，持續到今年1月結束。其實升級版探測器探索到引力波信號，是在2015年9月，之後經過反覆確認才公布。
而他們從來都沒有預料到，一開機就會探測到上述的雙黑洞系統。因為多年來，科學家一般都認為引力波來源可能是雙中子星系統。雙中子星系統不像黑洞這麼大，質量小得多。「在那個時候，對於探測到雙中子星的可能性，我們其實並不是很樂觀。要知道，不到50%的把握。」
不過，LIGO一直並未把雙中子星視為引力波的唯一源頭，他們預測引力波源頭應該很廣泛，其中就包括雙中子星和雙黑洞。只要發現一個明確的源頭，就能相當準確地計算出它發射的引力波有多強。
所以，LIGO的探測器被設計為尋找雙緻密天體併合這種具有普遍性的二元系統的目標，他們會尋找二元系統崩潰時的信號波形，然後進行計算……這類系統的基本信號波形是相同的：螺旋部分呈正弦波，其頻率隨時間而增加，幅值也隨時間慢慢增加。信號頻率開始越升越高，而信號幅值也越來越大。最後，二元系統崩潰，兩個天體最終合二為一，信號呈現衰減趨勢。
在尋找這種有普遍性的系統時，LIGO必須得先確定尋找的範圍。比如尋找總質量是太陽質量一百倍以內的二元系統。
由於黑洞本身不會發射任何電磁波。在雙黑洞合二為一的過程中，它們同樣不會發射任何電磁波。到目前為止，沒有人成功觀測到黑洞的碰撞，但人們卻推算出了這一過程。
彼得介紹，LIGO所設計的升級版探測器從某種意義上來說，更類似一個麥克風，它能從各個方向接收空間中的波動。他們建造了兩套探測器，對著天空中的某個範圍進行數據搜集，通過比較到達時間的差異，在一定程度上確定某種波動在天空中的方位。也就是說，這次發現其實是個偶然性很大的事件。
《造就》查閱資料發現，目前科學界探測引力波的儀器，是以雷射幹涉儀為原理，代表就是美國的LIGO和歐洲的VIRGO。基本原理是：把引力波掃過導致的長度變化，轉變為雷射幹涉結果的光強變化。不用什麼別的工具，我們能通過手機貼膜貼合不均勻處的「幹涉」條紋，直觀看出貼合間距的微小變化。同理，LIGO也能通過測量兩束相干紅外雷射的幹涉光強，判斷雷射臂長的極微弱變化。
這個原理放到天空上，能得到更長的臂長：長達數萬公裡。這樣引力波導致的變化將更加明顯。所以美歐提出了LISA計劃，中國也提出了天琴計劃，都是打算發射空間衛星，組成幹涉儀網絡，進行長距離的幹涉測量。
LIGO的探測器可以說是一種對頻率~100的信號最敏感雷射幹涉儀——這正是雙黑洞、雙中子星等雙緻密天體併合前的一瞬發出的引力波的頻率。這種雙星併合事件的引力波最有獨特特徵，最容易識別，因此不難理解，是LIGO搶先探測到了引力波。
而LISA、天琴對頻率為~10^-2到~10^-4的信號最敏感。因此它們更適合尋找銀河系中相對慢速繞轉的雙緻密星，以及因身材龐大而轉不快的超大質量雙黑洞。
雖然很多科幻小說中設想，人類將來或許將使用引力波與外星人進行交流，比如中國影響力最大的科幻小說《三體》中就有這個情節。但彼得解釋：引力波的特性是它與物質的相互作用非常弱，它能從源頭直接傳出，而且在傳播過程中不發生任何改變。與從前天文探測所依賴的電磁波會跟自己穿透的物質互相作用，當被探測到時，它的特徵已經發生變化，科學家總是得試圖弄懂是什麼扭曲了它。所以，從理論上來說，引力波確實很適用於星際通訊，因為不管它傳播過程中通過了什麼物質，都不影響交流。
但問題在於引力波很難被製造。而且檢測引力波也不容易，「我們使用了像LIGO這樣的大型探測器才檢測到黑洞這樣大的引力波事件。也許我的想像力不夠，但是我認為不太可能(將其實際用於星際通訊)。」
對於未來探測到更多的引力波，彼得還是非常樂觀的。因為現在這套設備的靈敏度，只有設計水平的三分之一。當它達到設計能力時，意味著靈敏度能提高到初始的三倍，就是說，對引力波更加敏感，而且探測距離將三倍於從前，這就是引力波不同於電磁輻射的另外一個特點。
人們通常使用電磁波望遠鏡測量能量，電磁波的強度與距離的平方成反比。它的強度與距離的平方成反比。而引力波的振幅強度與距離成反比。所以，如果我們把靈敏度提高到原來的三倍，那麼就可以觀測到三倍遠的距離，「這意味著我們可觀測到的空間就擴大到原來的27倍!」
現在LIGO與義大利的處女座引力波探測器已經開始合作，互相分享數據和技術，「只有大家彼此分享數據，科學才更容易進步。」彼得還透露，日本也在建造一個位於神岡礦場的地下探測器，它還需要好幾年才能以有效的靈敏度投入運轉，但相信最終他們也會合作。目前LIGO有三個探測器，分別位於美國華盛頓州和路易斯安那州，第三個探測器則放在印度，而且是採用LIGO提供儀器，設施將由印度政府建造和運營的合作模式。他非常期待能在中國也建設一個探測器基地。
這位讓人尊敬的科學家，他最想對糾結於收入與愛好兩種選擇中的年輕人說：「你是不是喜歡你的工作?你自己有沒有在做一項有挑戰性的工作並享受其中?你是不是和一群你喜歡的人一起工作。只有這樣，你才會不斷地被激勵。」這個世界上，有許多可以實現造就自己、造就未來的方法。於他而言，造就指的就是基礎科學研究，對於其他人，可能是藝術或音樂。「如果你被那種創造精神所激勵，你需要找到一個機會，並且積極去追求它。」
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