引力波 [美]珍娜·莱文.pdf

版权信息书名:引力波作者:美珍娜莱文译者:胡小锐 万慧ISBN:9787508676999中信出版集团制作发行版权所有侵权必究题记1献给沃伦、吉布森和斯特拉题记2没有什么比引领事物的新秩序更难把握、更冒险和更不确定的了。马基雅维利，君主论（1513）推荐序引力波关乎你我你的职业也许跟科学研究相去甚远，或许你只是出于好奇偶尔翻开了这本书，引力波的字眼你可能只是在新闻报道里听说过。但我想说的是这并不是一本介绍引力波天文和物理的高冷科普读物，实际上它在探讨人、自然与科学的关系。它关乎你我。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，两个黑洞相互绕着对方运行，此时，两个黑洞之间的距离仅为数百公里，运行速度非常接近于光速。当它们最终碰撞时，最后变成了一个质量是太阳的60多倍的黑洞，相当于3倍太阳质量的能量瞬间通过时空以引力波的形式光速辐射出去。而13亿年后，地球上的探测器捕捉到了它们运行的最后4圈，只持续了200毫秒，探测器4公里干涉臂的长度发生了相当于质子直径千分之一的空间变化。这一系列的数字的确让我们领略了自然的神奇，人类从没有如此贴近和聆听自然，无论从大尺度的宇宙黑洞，还是甚至要考虑到量子噪声的探测器的微观变化引力波给我们展现了一幅前所未有、波澜壮阔、叹为观止的宇宙和自然图景。难道你不觉得，人类自身更神奇吗？1916年，爱因斯坦发表论文预测了引力波的存在；100年后的2016年，激光干涉引力波天文台（LIGO）科学合作组织1 000多名科学家成功实现了引力波的直接探测。100年来人类探索引力波存在的努力从未间断过，而其中经历的种种更是在这本书里娓娓道来，有合作、奋斗与荣耀，也有争执、猜忌和斗争，有血有肉、历历在目。2004年一个偶然的机会，我加入了美国麻省理工学院的LIGO实验室，而在此之前我根本不知道什么是引力波，但从此以后我也从没放弃过对引力波研究的追寻。直到2015年9月14日那个引力波信号到来的时刻，根本没人敢相信那是一个真实的信号，它简单得近乎荒谬，与理论推断得出的引力波没有任何显著不同。人类的理性与自然的神奇在那一刻达成了前所未有的默契，而其中经历的是整整100年的科学探索。LIGO的创始人雷纳说：“最重要的是，我了却了一桩心愿”。2006年，我从麻省理工学院回到清华大学信息技术研究院工作，搞引力波研究多少显得有些不务正业，引力波探测希望渺茫，我参与其中却也乐此不疲，究其原因我也说不太清楚。自然是什么？人为什么会来到这个世界？每个人都有一颗与生俱来的好奇心。找一个寂静的下午，泡上一杯茶，放松一下你的身心，这是一本值得坐下来好好读读的书。曹军威2017年6月于清华园第1章黑洞碰撞When Black Holes Collide在宇宙的某个地方，两个黑洞发生了碰撞。这两个黑洞与恒星的质量差不多，体积却只有一般城市那么大，是真正意义上的黑洞（里面空荡荡的，没有一丝光）。在碰撞发生前的最后几秒钟里，它们在引力作用下一起绕着最终接触点完成了数千次的旋转，使时空发生了剧烈振荡。碰撞之后，这两个黑洞合并到一起，形成了一个更大的黑洞。黑洞碰撞是宇宙诞生之后威力最大的一个现象，释放出的能量超过1021个太阳。碰撞发生时一片黑暗，爆炸产生的所有能量都不会以光的形式逸出，所以用任何望远镜都无法观察到。黑洞合并时，无数能量以纯引力，也就是引力波的形式，不停地向四周传播，时空受到扰动而泛起涟漪。但是，即使有宇航员正好在附近，他也不会看见任何异常现象。不过，他所在的空间会发生铃振现象，对他挤压、拉伸，使他的身形发生变化。如果靠得足够近，他的听觉器官会随之振动，也就是说，他可以“听见”引力波。在空无一物的黑暗中，他可以听见时空发出的声音（如果黑洞没有夺走他的生命）。引力波就像不需要物质媒介的声音，在黑洞相互碰撞时，就会发出这样的声音。没有人听过引力波的声音，也没有任何仪器留下清楚无误的记录。虽然引力波以光速传播，但是从碰撞点传播到地球可能需要10亿年的时间。在到达地球之前，黑洞碰撞发出的声音已经非常微弱了，以至于用语言根本无法形容，如此微弱的声音我们肯定难以察觉。在引力波抵达地球时，空间的鸣响会引起距离的相对变化，在相当于三个地球并排的跨度上位移一个原子核的宽度。半个世纪之前，一股记录天空中各种声音的潮流悄然兴起。LIGO是美国国家科学基金会（NSF，为基础性科学研究提供支持的美国联邦政府独立机构）迄今为止投入最多的项目，包括两台探测器，分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿，各占地4平方公里。LIGO的综合成本超过10亿美元，参与合作的全球科学家和工程师有数百人之多，是所在专业领域几十年来科技创新工作的一个标志性成果。在过去几年里，为了提升探测能力，这两台机器都处于脱机状态。一名实验人员告诉我，机器的所有部件都被更换了，除了那个空空如也的管道（真空管）。与此同时，世界各地的科研团队都在进行紧张的计算，希望可以预测宇宙最喧闹的状态何时到来。理论学家则利用这段时间设计数据算法，建立数据库，并想尽办法充分利用这些工具。为了“在相当于地球周长1 000亿倍的距离范围内测量出比人的头发的直径还要小的变化”，许多科研人员全身心地投入其中。如果探测到引力波，人们有望在随后几年里取得丰硕的成果，因此位于地球上的天文台渴望记录天文巨变从不同方向、不同距离传到地球上的声音。死星发生碰撞，古老的恒星发生爆炸，还有曾经发生的宇宙大爆炸，所有这些高冲击强度的混乱状况都有可能引起时空振荡。从伽利略用一架简陋的望远镜观察太阳开始，人类把400年来拍摄的一系列静止的天空照片，汇编成一部讲述宇宙历史的无声电影。在这些天文台投入使用期间，科学家们将为这部电影配上一首不是很悦耳却非常热闹的主题曲。在这个尝试测量时空形态微弱变化的具有里程碑意义的实验中，我身兼数职：首先是作为一名科研人员，希望为一个庞大的科学领域做出自己的贡献；其次是作为一名初学者，希望深入了解干涉仪；最后是作为一名作者，用手中的笔记录人类在黑洞研究活动中取得的重大进展。随着全球范围内争相建造引力波天文台的热度逐渐消减，这个领域即将有重大发现的前景牢牢地吸引了人们的注意力。不过，仍然有人强烈怀疑它最终能否取得成功。尽管在开始的时候，LIGO项目面临诸多困难：争议不断，权威科学家表示反对，团队内部斗争十分激烈，技术上也一筹莫展。但是，LIGO项目没有被击垮，而是摆脱了阴影，不断变强，走上了发展的道路。50年前，使用一个无比庞大的机器去捕捉极其微弱的声音，还仅仅是人们的一个遥远的梦想，而现在已经万事俱备，只欠东风了。在20世纪60年代，这个灵光乍现而来的思想实验仿佛一首令人莞尔的俳句诗，而现在它已经变成由金属和玻璃制成的实物。2015年秋，在爱因斯坦提出引力波预言的100周年之际，改进后的LIGO探测器开始记录太空传来的声音。在一两年（也有可能是三年）之内，这些机器就会达到最灵敏的状态。上一代的机器证明这个概念是可行的，但成功却不是唾手可得的，因为大自然并不总是按人类的意愿行事。这些高精尖的机器可以自动锁定目标，也可以由人来完成调整、修正、校准等操作。如今，这些机器静静地等待着捕捉某个非同寻常的信号，科学家们也摒除疑念，坚持完成最后的工作。本书既是一部引力波编年史（是宇宙历史的有声记录，也是为那部无声电影谱写的主题曲），又是献给那些矢志不渝、坚持不懈的实验人员，以及愚公移山式科学精神的一首赞歌。第2章宇宙的声音High Fidelity下午6点，我站在麻省理工学院的一栋建筑前面，等人来为我开门。作为一个机构的总部，这栋大楼显得非常安静。这时候，一名研究生骑着自行车过来了。她跳下车，搬着自行车爬了几级台阶，然后打开门锁。等我走进去之后，她指着自己身后的大厅告诉我：“雷纳的办公室就在那儿。”接着，她一只脚踏上脚蹬，溜着自行车朝前滑行。之后，她再一次跳下车，进入一间装有灰白色门的办公室。雷纳办公室的门与那扇门一模一样。我不禁想，人们住宾馆时经常走错房间，雷纳他们会不会走错办公室啊？雷纳韦斯向我挥挥手，邀请我进入他的办公室。尽管我们是第一次见面，但从事科学研究的相同经历是一种强效黏合剂，拉近彼此距离的效果甚至好过同乡、同龄人。我们靠着两把与房间风格不搭调的椅子的椅背，脚放在同一个凳子上。交谈时，我们直接略过俗套的寒暄进入主题，气氛十分友好，就像相识多年的朋友。“我的人生道路始于一个梦想：我希望可以轻轻松松地听音乐。大概是1947年，社会上掀起了高保真音响的流行浪潮。虽然我当时还是一个孩子，但我制造出第一代高保真音响。生活在纽约市的移民大多喜欢听古典音乐。“看到那边的扬声器了吗？那是我从布鲁克林的一家电影院淘来的。电影银幕后面放着一堆这样的扬声器，我弄到了20个，然后拖拽着它们上了地铁。当时，布鲁克林派拉蒙电影院刚刚经历了一场火灾，所以电影院淘汰了这些扬声器。就这样，我拥有了电影工作室的专业扬声器。我设计的电路也非常棒。此外，我还弄到了一台调频收音机。之后，我经常邀请朋友来我家听纽约交响乐团的演奏。那种感觉简直无法想象，我们就像坐在剧院里。从扬声器里传出来的音乐简直太美妙了！”雷纳示意我观看扬声器内部的圆锥形金属结构。扬声器的外壳做工粗糙，显得极其笨重，在现代设计中早已被摒弃。但是，除此之外，这个在1935年前后生产的扬声器并不像一件年代久远的产品。从技术上看，它不像20世纪30年代的必需品，而更像20世纪70年代放纵生活的产物。他的办公室里还堆放着从其他设备上拆卸下来的金属外壳，因此扬声器并不是那么显眼。科学家们正围着这堆设备忙个不停，摆弄着一台基于20世纪60年代思想实验制造的引力波探测器。当时，雷纳希望制造一个装置，用来记录时空振荡发出的声音。后来，他才发现他并不是第一个产生这种想法的人。这个实验堪称科学界远大理想的一个典范，它的影响力已经超出了这栋大楼，甚至超出了马萨诸塞州剑桥市的范围。为这套装置研发零部件的实验室坐落在隔壁大楼的地下室里，但是全套设备的组装却被安排在其他地方进行。2005年，雷纳放弃了麻省理工学院物理学教授这个令人尊敬的职位，一心一意地待在4 000米长的混凝土管道里，为激光真空管接装示波器，检查18 000立方米的真空管是否有渗漏，测量潮湿阴冷、黄蜂成群的密闭空间中发生的地震振动。雷纳选择退休的主要目的是重拾学生身份，但是，由于被授予了荣誉退休教授的重要头衔，他开始了令人羡慕的“退而不休”的生活。雷纳在说话时会强化重音，这是一代纽约人的特点。他标准的美国口音中混杂了些许欧洲口音，偶尔还有德国人那种抑扬顿挫的语调。这些特点融合在一起，给我一种熟悉的感觉，不仅让我想到了他的出生地，还让我想到了他出生的那个时代。1932年，雷纳出生于德国柏林，他的父亲弗雷德里克韦斯来自一个富裕的犹太家庭（雷纳的祖母出身于显赫的拉特瑙家族。雷纳的性格特点“非常像德国人，还有点儿像犹太人”），具有叛逆精神。雷纳的母亲格特鲁德罗斯纳不是犹太人，据雷纳介绍，她同样具有叛逆精神。“不知道是怎么一回事，他们俩走到了一起。”雷纳的语气似乎是在暗示，其中有我们永远无法了解的秘密。后来，他揭开了这个秘密：“然后，我就来到了这个世界。但是，他们那时候还没结婚呢。”与在他家客厅里欣赏交响乐的其他移民一样，雷纳在谈到自己的人生经历时也是津津乐道。也许他说话的腔调就是这样形成的吧。不过，他的描述与实际情况并不相同，因为他的人生历程早在埃利斯岛上交换文件之后不久就拉开了帷幕。雷纳的父亲是一名神经科医生，在柏林的一家工人医院工作。后来，纳粹把触角伸到了这家医院。他们的一名内线做手术时操作不当，导致一名病人死亡。雷纳的父亲政治觉悟很高，他把这次医疗事故报告给权力已被削弱的医院领导。结果，出于报复心理，纳粹在大街上抓住了他，并把他关在地牢里（雷纳的家人没有提到这个地牢的具体位置）。要不是格特鲁德在新年前夕怀上雷纳的话，弗雷德里克可能无法重见天日了。身怀六甲的妻子与她在魏玛共和国地方政府工作的父亲竭尽全力，终于救出了弗雷德里克。虽然弗雷德里克获得了自由，却被迫远走他乡。弗雷德里克越过边境线，进入捷克斯洛