改變我們看待宇宙方式的引力波，有著怎樣的探測歷史？

100多年前，愛因斯坦在廣義相對論中提出了「引力波」的概念。此後，在長達半個世紀的求索中，「如何探測黑洞發來的信息」與「誰能率先捕獲引力波」成為引力波物理學界競技的方向。

2015年9月，來自LIGO的「有趣現象」顯示，人類終於捕捉到了引力波。在短短幾年之內,引力波天文學就改變了我們對宇宙的看法,證實了我們對這些奇怪理論的理解。

深入引力波社群40餘年的科學社會學家哈裡·科林斯對這段過往進行了實時記錄，講述了這項迷人的成就誕生的故事。豐富的一手資料讓這個故事嚴謹又立體，而幕後逸事則展現了科學家們的人情味，當然，他也透露了科學界與媒體試圖隱藏的內幕。

回顧這段長達半世紀的引力波探測歷史，也許更加有助於我們理解今天那些激動人心的發現，特別是來自目前最先進的引力波研究設備引力波探測器LIGO和Virgo的消息。在它們的幫助下，科學家找到了很多宇宙中神奇的自然現象。比如在2017年8月17日，LIGO和 Virgo的合作，首次探測到來自一對合併中子星的引力波，引力波信號伴隨著一系列由電磁望遠鏡識別的對應物，這顯然為研究宇宙膨脹史提供了獨特的新途徑。

就在上個月，一份由美國物理學家發表於預印本網站arXiv的論文中表示，當一個黑洞螺旋進入蟲洞時，會在時空中產生一種奇怪的漣漪，而LIGO和Virgo引力波探測器可能會捕捉到這種時空漣漪。雖然目前還沒有任何證據證明蟲洞的存在，但LIGO和Virgo引力波探測器的表現意味著，如果蟲洞真的存在，研究人員很有可能通過引力波探測到它。

以下內容節選自哈裡·科林斯所著的《引力之吻》，已獲得出版社授權刊發。

《引力之吻》，[英]哈裡·科林斯著，青年天文教師連線譯，後浪丨北京聯合出版公司2020年7月版。

原文作者丨[英]哈裡·科林斯

摘編丨安也

利用地基探測器捕捉，

使引力波探測成為可能

20 世紀 50 年代末，約瑟夫·韋伯

（Joseph Weber）

開始嘗試利用地基探測器捕捉引力波。20 世紀 60 年代末到 70 年代初期間，通過重 1 噸以上的圓柱形鋁棒的振動，韋伯發表了自己在引力波探測方面的成果。

韋伯的共振棒

（resonant bar）

坐落於他的母校馬裡蘭大學

（University of Maryland）

，另一臺探測器被放置於芝加哥。若是引力波襲來，它就會在兩臺相距遙遙的探測器上同時留下痕跡。由於儀器時刻在振動，韋伯採用了一個竅門，即對比兩臺探測器實時輸出數據的符合

（coincidence，指「同時」）

次數和對其中一臺的數據進行時間平移後的符合次數，這樣一來，源相同的信號就無法形成一個符合了。

這個方法沿用至今，使引力波探測成為可能。但問題是，我們無法關掉引力波源，因此我們無法讓探測器在必要時屏蔽真實信號，以減小引力波對設備的影響。這種開 / 關機狀態對於精細觀測實驗十分重要：當「開機」「關機」狀態間存在差異時，我們知道開機期間可能會看到令人感興趣的現象。然而，如果將兩臺探測器的信號記錄下來，並對數據進行時間平移，那麼任何「同時」效應都不可能來自同一個源，因此這種操作等效於將儀器「關機」了；如果對比實時輸出數據，看到的同時信號就是來自「開機」模式。這就產生了我們想要的對比！

韋伯的研究結果卓越，引得同領域的其他研究小組紛紛效仿，不過長話短說，他們都未探測到引力波。事實當然比寥寥幾句敘述複雜得多，不止一個小組對可疑信號將信將疑。韋伯則聲稱，如果其他人用「半個杯子是滿的」而非「半個杯子是空的」的心態來看的話，他們的發現就會與自己的研究成果相吻合。

共振棒和低溫棒，

代表了奮鬥在科研前沿的樂觀精神

如果不了解之前半個世紀的是是非非，你也許很難清楚地理解最近發生的一切。1975 年左右，只有極少數人還信賴韋伯的研究結果。然而，韋伯發起的是一個 10 億美元級別的國際性大項目，引力波領域的大部分科學家都將韋伯視為先驅。如果沒有他那看似瘋狂的探測引力波的嘗試，今時今日也許就沒有引力波科學這個學科門類了。稱之「瘋狂」是因為，根據由韋伯發明的關於幹涉儀靈敏度與引力波能量的標準計算方法，他根本不可能探測到任何信號。

然而，韋伯依舊決定著手實驗，嘗試探測。美國國家科學基金會

（National Science Foundation）

為該項目贊助了數萬美元。雖然信號如此弱，且實驗從設計上來說也幾乎不可能得到探測結果，但很可能，若韋伯未犯錯並使物理學界蒙羞

（如許多物理學家認為的那樣）

，地基引力波探測就無法迎來騰飛。韋伯的所為逼迫著同行們找到必要的資源，迫使他們「心甘情願」地踏上尋找引力波的漫漫徵路。

其中關鍵的一步是，即使所有證據都表明韋伯不可能探測到信號，他依舊聲稱自己捕捉到了引力波的蹤跡，而且早在 20 世紀 70 年代初，他就言之鑿鑿。2000 年韋伯逝世，直到離世，他始終堅信自己曾看到引力波。

之後，人們製造了低溫棒

（cryogenic bar）

，其與韋伯的設備類似，但可冷卻到液氦的溫度，甚至更低。美國

（路易斯安那州立大學，Louisiana State University）

與義大利

（羅馬和帕多瓦）

是該領域的佼佼者，此外，澳大利亞的珀斯正試著使用幹涉儀。從理論上來說

（儘管韋伯常常對此質疑）

，低溫棒遠比室溫下的共振棒靈敏。韋伯也曾啟動一個低溫棒項目，但是並未完成。一個來自義大利的團隊不止一次地發表成果，表明他們用低溫棒探測到了引力波，但他們的主張沒有站穩腳跟。

與此同時，通過賴納·魏斯

（Rainer Weiss，又譯為雷納·韋斯）

於 20 世紀 70 年代早期對可行性細節的計算，成本更為高昂的幹涉儀項目逐漸變得矚目。隨後，一些小型幹涉儀項目獲得資助，到 1992 年，美國的大型幹涉儀項目終於動工，宣告了共振棒時代的落幕。若想了解這場苦澀戰役的細節，可參閱《引力之影》。

直到 2015 年秋天，仍有兩臺低溫棒堅持在工作崗位上，它們位於義大利。根據負責其中一臺儀器的科學家所述，儀器的探測距離為 5 千秒差距，而根據這個範圍計算的事件率顯示，每 50 年裡大概可以探測到幾次超新星爆發或者巨耀發事件。

這位科學家相信，在其他類型的探測器未運行時，低溫棒在「天文看更」的崗位上表現出色，而一旦其他任何一臺儀器的探測獲得證實，那麼低溫棒關機的日子將至。負責另一臺低溫棒的科學家則相信，低溫棒在探測宇宙射線和可能與暗物質相關的奇特粒子上仍堪重任。如今，幹涉儀在引力波探測的舞臺上大放異彩，低溫棒似乎已全然無望。然而，回顧那個時代，共振棒和低溫棒代表了奮鬥在科研前沿的樂觀精神。

引力波探測器至今未看到任何信號，

恰恰代表了理論的勝利

如今，人們很難想像，在引力波探測的前 30 年裡，共振棒型探測器才是主流技術。人們也很難想像，引力波科學領域的誕生是多麼戲劇化。而其中的故事涉及韋伯—引力波探測毫無成功可能性的年代裡的英勇「煽動者」。

韋伯犯了一些極大的錯誤。比如，他聲稱在信號裡發現了周期為 24 小時的變化規律，而實際上，真正的信號周期為 12 小時，因為地球對引力波來說是「透明」的，來自正上方和正下方的信號是全同的；再如，不理會對方的懷疑態度，宣稱在自己和競爭對手的探測器裡同時看到了信號，而對兩個探測器位於不同時區這一事實刻意忽視，也就是說，兩個信號根本不是同時到達的；一位來自美國的極具影響力的物理學家對韋伯的實驗方法和探測結果持異常激烈的反對意見；韋伯發明了一個理論來說明共振棒的靈敏度比最初理論預言的靈敏度高 10 億倍；一位冉冉升起的理論物理學新星

（如今已過世）

曾發表論文，證明韋伯的理論不成立，不過之後他的態度卻發生了 180 度轉變，他在另一篇文章中聲稱韋伯其實是正確的，這到頭來白白損失了自己的信譽；韋伯的信譽在不斷下降，但他直到生命的盡頭依然不肯放棄自己的主張，甚至到了讓他覺得他一定得向我保證他不可能自殺的地步。

隨著第一個正面競爭的技術不斷發展，低溫棒顯現效用，然而發現結果隨後被否定；提出了使用幹涉儀探測引力波的科學家一開始被拒絕資助，而之後，該技術在其他地方發展起來；對幹涉儀技術的激烈爭奪發生在義大利和美國之間，且到達了白熱化的地步；天文學領域對此強烈反對，因為幹涉儀技術對資助基金的巨大胃口威脅著其他引力波探測技術，與此同時，言辭尖銳的批評者險些影射學術不端和數據造假；共振棒的技術領頭人面臨痛苦的抉擇，也在分析方法上遲疑不決，這導致友誼終結，以及除非所有人都同意結果，否則競爭對手之間不得對外宣布探測結果；最終，幹涉儀項目獲得資助，但緊隨而來的是首席科學家之間激烈的個人衝突；LIGO 管理層因一位新領導者的到來而分崩離析；另一位更為成功的領導者最終被解僱；掌握新儀器諸多關鍵技術的天才發明家被排擠出項目，甚至被告知無法再踏入放置著由他搭建起來的原型機的大樓一步；一位來自高能物理學領域的新負責人將 LIGO 從死亡邊緣拯救過來；LIGO 項目的大批資深科學家離職；項目驗收日期無數次被推遲。

模擬極端太空時間（SXS）項目。

如今回溯歷史，這些故事好似發生在另一個維度中，除了簡單的概括語言以外，所有轉述讀起來都像在看《大話西遊》一樣。

如果被普遍接受的理論是正確的，那麼天體源輻射的引力波理論預言強度與理論預言的儀器靈敏度將在 aLIGO 這一代探測器上大致交會。實際上，正如第一封研究申請書的某個段落裡所寫的，回過頭想想，引力波探測器至今未看到任何信號，這恰恰代表理論的勝利。

該圖展示了申請基金時的研究目標，下劃線由將材料發給我的科學家標出，該句表示「首次成功探測很可能不是出現在初代 LIGO中，而是出現在新版探測器中」。

不過，這類聲明一般會被歸為「細則」。它隱含著一段塵封多年的有關探測可能性的逸事。那個時候，「天文學十年報告」裡對在未來幾年中探測到引力波這件事充滿信心，儘管我們當時仍然處在共振棒探測器時代；LIGO 的靈敏度曲線與 iLIGO 潛在的可探測到的源被繪製在了一起，儘管細則裡註明源可能並不存在；從項目建設伊始，兩臺相距甚遠的探測器就共同開工了，而一位資深的專業人士指出，既然 iLIGO 的靈敏度這麼低，未探測到有用信號，那不如只建造一臺幹涉儀，在那臺設備上發展技術；一些人提議建造「增強版 LIGO」

（Enhanced LIGO）

—這個名字如今在相關報告和圖表中被歸類為初代 LIGO—的一部分動機就是將 LIGO 的靈敏度提升兩倍以上，有望成功探測到引力波。

當我指出這個論證存在問題

（該結論是從零開始外推得到的）

時，一位非常資深的科學家將我推到牆上，衝著我大吼，說我什麼都不懂。因此，不管細則裡面說了什麼，iLIGO 的表現還是讓很多科學家感到失望，尤其是那些在立博博彩公司

（Ladbrokes）

下注，賭 LIGO 會在 2010 年前實現引力波探測的人們—不得不說，賠率相當誘人。不論如何，在理論預言信號存在且下一代探測器定能實現探測的前提下，科學家與資助機構願意繼續付出，他們鍥而不捨，這正是人類堅韌品質的偉大勝利。歷史由勝利者寫就，不久以前還屬於尖端科技的棒狀探測器，如今似乎徹底無望，連早期的幹涉儀現在看來也只是通向這次成功的原型機。這便是事物的規則發生變化的一種方式。

本文節選自《引力之吻》，較原文有刪節修改，小標題為編者所加，非原文所有。已獲得出版社授權刊發。

編輯丨董牧孜

導語校對丨陳荻雁