宇宙漣漪（宇宙大爆炸之初一種微小的起伏）

專家探尋

科學(xué)家正準(zhǔn)備用一個(gè)新的觀測(cè)站搜尋宇宙間最激烈的事件產(chǎn)生的時(shí)空漣漪。但是，盡管這個(gè)項(xiàng)目的代價(jià)高昂，探測(cè)器很可能什么也探測(cè)不到。Geoff Brumfiel 找到了其中的原因。

在路易斯安那州中部泥濘的漫灘上，兩個(gè)4公里長的混凝土管道在一個(gè)龐大的林場(chǎng)上劃出了一個(gè)L型。在管道內(nèi)部，激光在鏡面之間反射。它們構(gòu)成了一個(gè)如此靈敏的測(cè)量裝置，以至于它能夠探測(cè)到駛來的車輛的隆隆聲、以及附近附近樹木倒地產(chǎn)生的震動(dòng)。

但是當(dāng)夜幕降臨、伐木停止之后，一個(gè)更偉大的探測(cè)計(jì)劃的準(zhǔn)備工作仍在繼續(xù)。到今年年底，路易斯安那探測(cè)器將能夠?qū)ふ乙Σā珊诙磁鲎埠秃阈潜l(fā)產(chǎn)生的微弱的時(shí)空漣漪。探測(cè)到這些漣漪將為愛因斯坦的相對(duì)論提供新的檢驗(yàn)，同時(shí)也成為探尋宇宙中不可見部分的一種方法。

黑洞與中子星相碰撞釋放出引力波，這是一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬圖 但是存在一個(gè)大問題。轟然倒地的樹木和過路的卡車——更不用說微小的地震——將影響到探測(cè)器最終的研制。并且，由于理論物理學(xué)家并不知道引力波的樣子，沒有人能準(zhǔn)確知道到底能發(fā)現(xiàn)什么。這個(gè)計(jì)劃——激光干涉儀引力波觀測(cè)站（LIGO）——的領(lǐng)導(dǎo)者承認(rèn)，路易斯安那州的探測(cè)儀，以及它在華盛頓州漢福德（Hanford）的伙伴，最初可能什么也探測(cè)不到。但是，倘若這些探測(cè)器需要花費(fèi)2.96億美元，一些研究者懷疑它們有沒有建成的可能。

路易斯安那州的LIGO 自從90年前引力波的理論被提出以來，沒有人曾經(jīng)直接探測(cè)到它。盡管物理學(xué)家認(rèn)為引力波的確存在。阿爾伯特·愛因斯坦于1916年發(fā)表的的廣義相對(duì)論理論預(yù)言說，在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的大質(zhì)量物體能夠產(chǎn)生時(shí)空的漣漪（見附錄《廣義相對(duì)論入門》）。

直接探測(cè)引力波的機(jī)會(huì)是如此誘人，因?yàn)樗軌虼_認(rèn)愛因斯坦的理論預(yù)言。但是更深次的動(dòng)機(jī)在于了解產(chǎn)生最強(qiáng)大引力波的極端事件。“那是一個(gè)迥然不同的世界，”Weiss說。“如果你在一個(gè)黑洞附近，時(shí)空是如此的扭曲，以至于直線甚至不會(huì)延伸很遠(yuǎn)。附近的時(shí)鐘快慢不同，沒有什么還與原來一樣。”并且，由于在這些天體的周圍經(jīng)常環(huán)繞著塵埃和殘骸，很多人認(rèn)為研究他們的唯一方法就是借助于某些形狀的黑洞釋放的引力波。

探測(cè)引力波的嘗試最早可以追溯到20世紀(jì)60年代。馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）建造了第一個(gè)探測(cè)器。它包括一個(gè)2米長、1.5米直徑的鋁棒。韋伯預(yù)計(jì)，如果一個(gè)路過的引力波引起了它的長度的瞬時(shí)伸縮，鋁棒將會(huì)像被錘子敲了一下那樣鳴響。

約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）在20世紀(jì)60年代末，韋伯宣布他探測(cè)到引力波幾乎同時(shí)穿過了馬里蘭州和芝加哥的探測(cè)器，從而震驚了物理界。那個(gè)引力波看起來改變了鋁棒一億分之一毫米的長度。但是懷疑者指出，只有相當(dāng)大一部分的銀河系質(zhì)量才能產(chǎn)生這么強(qiáng)的引力波。Weiss說：“如果你實(shí)際計(jì)算一下他所聲稱發(fā)現(xiàn)的，那么銀河系（的質(zhì)量）在100萬年就會(huì)消耗殆盡。”時(shí)光流逝，現(xiàn)在人們已經(jīng)很清楚，韋伯的統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在著缺陷。

但是韋伯的“發(fā)現(xiàn)”吸引了很多年輕物理學(xué)家的想象。Tony Tyson回憶說：“我被它迷住了。”Tyson是新澤西Murray Hill貝爾實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家，當(dāng)時(shí)是芝加哥大學(xué)的研究生。20世紀(jì)70年代中期，Tyson建造了一個(gè)更大的探測(cè)器，世界各地的其他研究組也有類似的探測(cè)器。盡管沒有成功地發(fā)現(xiàn)任何引力波，人們對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域的興趣不斷增長，這要部分的感謝引力波存在的第一個(gè)間接證據(jù)。

1974年，馬薩諸塞大學(xué)的物理學(xué)家Russell Hulse 和 Joseph Taylor是用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)一對(duì)相互繞行的中子星。Hulse和Taylor意識(shí)到它們可能發(fā)出引力波，因此會(huì)慢慢損失能量，越靠越近。他們觀測(cè)了這對(duì)中子星4年，于1978年宣布它們的軌道嚴(yán)格按照愛因斯坦的理論改變。這個(gè)發(fā)現(xiàn)——至今仍然是引力波最好的觀測(cè)證據(jù)——讓Hulse和Taylor獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

現(xiàn)在這場(chǎng)競(jìng)賽要建造一個(gè)能直接探測(cè)引力波的裝置。加州理工學(xué)院的理論天體物理學(xué)家Kip Thorne說：“我們知道，如果成功，它在科學(xué)上的收益將是巨大的?！盩horne和加州理工學(xué)院的同事希望能夠得到這套裝置，在20世紀(jì)70年代末，他們招募了英國格拉斯哥大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Ronald Drever來幫助他們?cè)O(shè)計(jì)新型的探測(cè)器。

Drever有建造被稱作邁克爾遜干涉儀的L型裝置的經(jīng)驗(yàn)。入射的激光在L型拐角處分成兩束，每一束光到達(dá)L型臂的末端，然后被鏡面反射回中心。當(dāng)光束再度匯集時(shí)，他們會(huì)在光敏探測(cè)器上產(chǎn)生一個(gè)帶有暗斑的干涉圖樣。如果引力波或者其他干擾改變了臂的長度，在探測(cè)器處的光強(qiáng)度就會(huì)改變。通過研究光強(qiáng)度的改變，研究者就能確定光路的上的變化。干涉儀并不一定比韋伯的鋁棒更靈敏，但是它們能夠探測(cè)更寬頻帶的引力波。

Weiss加入了加州理工學(xué)院的研究小組。Weiss曾經(jīng)獨(dú)立研究干涉儀探測(cè)器。1985年，他們向國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）遞交了LIGO計(jì)劃的建議，要求建造一對(duì)干涉儀。他們認(rèn)為這些探測(cè)器能夠探測(cè)激光光路上大約10-19米的擾動(dòng)。建造這個(gè)裝置需要數(shù)以百萬計(jì)美元。然而，從一開始，研究者完全不能確定他們是否能探測(cè)到什么東西。

籠罩著LIGO的科學(xué)不確定性曾經(jīng)，并且現(xiàn)在仍然是雙重的。一方面，理論家不能預(yù)言他們希望LIGO能探測(cè)到的引力波的波長和頻率，這引起了對(duì)于探測(cè)器最佳設(shè)計(jì)的爭(zhēng)議。并且沒有人知道引力波到達(dá)地球的經(jīng)常性是多少。例如，假如黑洞碰撞的情況很罕見，或許幾個(gè)世紀(jì)才能檢測(cè)到一個(gè)這樣的事件。

還存在著技術(shù)上的問題。使用韋伯鋁棒的研究者遇到了經(jīng)常震動(dòng)他們實(shí)驗(yàn)室的微震的影響。震動(dòng)造成了一個(gè)重大的問題，它們的頻率——在0到100Hz之間——與理論所預(yù)計(jì)的引力波出現(xiàn)最豐富的頻帶接近。

引力波理論

自從90年前引力波的理論被提出以來，沒有人曾經(jīng)直接探測(cè)到它。盡管物理學(xué)家認(rèn)為引力波的確存在。 阿爾伯特·愛因斯坦于1916年發(fā)表的的 廣義相對(duì)論理論預(yù)言說，在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的大質(zhì)量物體能夠產(chǎn)生時(shí)空的漣漪。愛因斯坦認(rèn)識(shí)到，引力波能夠拉伸或者壓縮它們穿過的任何物體，但是認(rèn)為沒有人能夠檢測(cè)到它們。例如，一個(gè)典型的引力波穿過地球，將會(huì)把這個(gè)行星拉長10～16米。麻省理工學(xué)院（MIT）的物理學(xué)家Rainer Weiss說：“愛因斯坦認(rèn)為探測(cè)它們實(shí)在太困難了?！?/p>設(shè)計(jì)方案

為了避免這些困難，NSF建議，如果最初的設(shè)計(jì)不能發(fā)現(xiàn)引力波，那么計(jì)劃應(yīng)該具有升級(jí)的潛力。Weiss說：“我們被NSF多次告知：不要建成一錘子買賣的項(xiàng)目?！?/p>

這個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃在不同地點(diǎn)建造兩套足夠能容納高功率激光、抗震光學(xué)系統(tǒng)和數(shù)套干涉儀的實(shí)驗(yàn)室。使用兩個(gè)探測(cè)器能夠?qū)τ诳赡艿陌l(fā)現(xiàn)做雙重檢驗(yàn)。

第一個(gè)干涉儀將使用通用器材建造。它們主要的功能將是檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)所必需的精密電子和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。研究小組隨后將安裝更加精密的第二代干涉儀。

1989年，NSF正式資助這個(gè)項(xiàng)目。Frederick Bernthal說：“LIGO值得欣慰之處在于，你不會(huì)總是遇到花大錢的項(xiàng)目?！盉ernthal在LIGO計(jì)劃編制的后期任NSF的副主任?！凹词鼓銖臎]見過引力波，建造LIGO所需的最先進(jìn)技術(shù)也會(huì)給人留下非常深刻的印象?！?/p>政治說服力

LIGO小組現(xiàn)在要讓國會(huì)相信，這個(gè)項(xiàng)目值得投資。加州理工的物理學(xué)家Robbie Vogt曾經(jīng)是LIGO的主任，他進(jìn)行了長達(dá)一年游說活動(dòng)。他的一次演講引起了Bob Livingston和Bennett Johnson的注意。他們當(dāng)時(shí)分別是路易斯安那州的眾議員和參議員。他們被這個(gè)計(jì)劃打動(dòng)，并且希望借助于最新的科學(xué)——以及相關(guān)的工作——繁榮他們州的經(jīng)濟(jì)。

NSF幫助選擇了路易斯安那州Livingston這一比較合適的地點(diǎn)。那時(shí)，沒有人想到樹木倒下造成的影響。漢福德的探測(cè)器不必另外選址，政府擁有的土地曾經(jīng)用于制造核武器。

盡管得到了NSF的批準(zhǔn)，一些科學(xué)家仍然擔(dān)心計(jì)劃的花費(fèi)。許多人曾經(jīng)，并且現(xiàn)在仍然不愿意公開批評(píng)者這個(gè)由名牌大學(xué)和政府資助的項(xiàng)目。但是有些人當(dāng)時(shí)道出了他們的擔(dān)憂?！白鳛橐粋€(gè)物理學(xué)家我對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常著迷。并且希望看到它有足夠的資金，”1991年3月，Tyson對(duì)眾議院科學(xué)委員會(huì)說，“但是不能忽視數(shù)百名獨(dú)立調(diào)查者的意見。”作為它證詞的一部分，Tyson提交了一分60多個(gè)物理學(xué)家和天文學(xué)家的評(píng)論意見，所有人都表達(dá)了對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目的懷疑。但是LIGO項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)，并且有路易斯安那州政治家的支持。國會(huì)于1991年秋批準(zhǔn)了這個(gè)項(xiàng)目。

隨著政治斗爭(zhēng)的勝利，研究者在過去的10年中設(shè)計(jì)和建造了兩座觀測(cè)站。它們都已經(jīng)為尋找引力波做好了準(zhǔn)備。但是最初的數(shù)據(jù)不會(huì)引人注目——立即探測(cè)到引力波的可能性仍然很小。

Barry Barish是加州理工的高能物理學(xué)家、LIGO的現(xiàn)任主任。他說，不管你期望LIGO發(fā)現(xiàn)什么，它都依賴于你選擇的引力波產(chǎn)生模型?！安⑶椰F(xiàn)在有很多理論，”他補(bǔ)充說。自從LIGO計(jì)劃首次被提出以來，對(duì)于可探測(cè)事件的頻率和強(qiáng)度的估計(jì)不斷下降?！八麄冏畛鯇?duì)于可能的（引力波）源的數(shù)量估計(jì)過分樂觀了，”新澤西普林斯頓大學(xué)的理論天體物理學(xué)家Jerry Ostriker說。Ostriker長期以來是LIGO的批評(píng)者，他認(rèn)為根據(jù)今天（對(duì)于引力波）的估計(jì)，即使是未來的龐大的探測(cè)器找到任何引力波的可能性都很小。

橡皮膜上的漣漪

想象一張橡皮膜中間有一個(gè)保齡球。球就是一顆行星，它所造成的橡皮膜的變形相當(dāng)于一個(gè)真實(shí)的行星扭曲時(shí)空的方式。在橡皮膜上運(yùn)動(dòng)的物體將會(huì)像保齡球方向滾落，正如引力會(huì)把一顆過路的彗星拉向地球。在愛因斯坦的理論中，地球吸引物體是因?yàn)樗で烁浇臅r(shí)空，正如保齡球扭曲了橡皮膜。

現(xiàn)在想象兩個(gè)相互繞行的保齡球。它們將會(huì)引起橡皮膜上的漣漪，相當(dāng)于兩個(gè)相互繞行的恒星產(chǎn)生的引力波。通過研究這種漣漪，觀察者就能知道恒星的運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)難題

技術(shù)上的困難仍然存在。實(shí)驗(yàn)室的主體結(jié)構(gòu)完成于兩年之前。但是在2001年，在漢福德的異常6.8級(jí)地震震壞了反射鏡和其他光學(xué)系統(tǒng)，計(jì)劃被延遲了3個(gè)月。然而，最困難的問題在于，當(dāng)一個(gè)噪聲源被清除之后，另外一個(gè)又冒出來了。Livingston地區(qū)的伐木作業(yè)持續(xù)到晚上和周末。即使是現(xiàn)在，LIGO也必須把諸如“固體潮”——每隔12小時(shí)由于月球引力造成的地核運(yùn)動(dòng)——這樣的現(xiàn)象考慮在內(nèi)。

這些效應(yīng)能夠被電子設(shè)備控制的反射鏡所校正，從而過濾掉假信號(hào)。但是每一次研究者過濾掉一個(gè)信號(hào)，他們必須確認(rèn)沒有被上一次的調(diào)整所干擾。LIGO在Livingston觀測(cè)站的主任Mark Coles解釋說，這有點(diǎn)像從靜電噪聲中找到一個(gè)微弱的無線電信號(hào)。他補(bǔ)充說：“這有幾分單調(diào)乏味?！?/p>

一些研究者懷疑噪聲是否最終能降低到能讓引力波被探測(cè)到的程度?！按嬖谝粋€(gè)大問題：還有多少?zèng)]有被濾除的噪聲？”Tyson說。兩個(gè)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)采集原計(jì)劃于今年夏天開始，現(xiàn)在已經(jīng)被推遲到今年年底。

但是LIGO的研究者仍然充滿信心。 “如果我們一開始就能探測(cè)到什么，這不必驚奇，” Barish說，“但是如果10年之內(nèi)還無所作為那么我就要被震驚了。”經(jīng)過3年的運(yùn)行，研究者計(jì)劃申請(qǐng)資金更新LIGO。例如，他們希望增加更強(qiáng)大的激光器，并改進(jìn)防震裝置。

但是無論結(jié)果如何，LIGO將會(huì)推進(jìn)引力波探測(cè)領(lǐng)域的研究。自從這個(gè)計(jì)劃被批準(zhǔn)之后，類似的計(jì)劃也在德國、意大利、澳大利亞和日本開展。它們其中的一個(gè)——室女座（Virgo），在意大利比薩的附近——將會(huì)繼LIGO之后在2003年出現(xiàn)，并且有與LIGO類似的靈敏度。對(duì)于這些計(jì)劃是否能夠克服諸如LIGO所面臨的地震噪音問題的爭(zhēng)論仍然存在，但是如果有一個(gè)以上的裝置探測(cè)到了引力波，他們就能共享數(shù)據(jù)從而查明引力波的來源。

德國的GEO600 一個(gè)空間引力波探測(cè)器的計(jì)劃也在制定中。歐洲和美國的物理學(xué)家正在設(shè)計(jì)一個(gè)在類似地球環(huán)繞太陽運(yùn)行軌道上的干涉儀。它被稱作激光干涉儀空間天線（LISA），由排成三角形的三顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星之間相距5百萬公里。LISA有類似于LIGO的靈敏度，但是更容易捕捉到難以捕捉的低頻信號(hào)，它可能被地震信號(hào)淹沒掉。如資金能夠得到保證，LISA的工作將會(huì)于幾年內(nèi)開始，衛(wèi)星計(jì)劃在這個(gè)十年末發(fā)射升空。

像LISA和LIGO這樣的計(jì)劃不僅僅是一個(gè)探測(cè)器——它也促成了一個(gè)研究者共同體。在美國，這個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)裝置成為了整個(gè)國家30個(gè)研究機(jī)構(gòu)數(shù)百名引力波研究者的核心?！拔覀冇醒芯肯乱淮綔y(cè)器的實(shí)驗(yàn)者。我們有對(duì)數(shù)據(jù)感興趣的理論家，”Weiss說。“并且他們沒有我這么老。那是最大的變化?！?/p>

太空測(cè)量宇宙

1月13日外刊消息，美國天文學(xué)家經(jīng)過大量的觀測(cè)和研究，表示發(fā)現(xiàn)了一個(gè)用某種“宇宙標(biāo)尺”測(cè)量宇宙的方法。

天文學(xué)家此前猜測(cè)，這些原始漣漪之間的距離可能與星系在宇宙中的分布方式有關(guān)，但對(duì)此推測(cè)并無把握?，F(xiàn)在兩者之間的關(guān)系更加清晰，因此兩波漣漪之間的空間就可以用作一種測(cè)量宇宙的工具。

兩組來自美國、英國和澳大利亞的研究人員分別進(jìn)行偵測(cè)，以確定兩層宇宙漣漪之間的距離與星系分布方式之間的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，各星系的形成位置傾向于相隔約5億光年，恰好與利用早期宇宙中的聲波漣漪所預(yù)測(cè)的結(jié)果吻合。