穿越时空：除了引力波，还有信念

　　 2月11日，加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台（LIGO）”的研究人员在华盛顿举行记者会宣布他们探测到引力波的存在。

图为技术人员在关闭舱门抽制真空前检查光学部件。

　　13亿年前，两个恒星量级黑洞撞到了一起。

　　大约3倍于太阳质量的物质，在不到1秒的时间内，被转化为引力波。这在时空中激荡起的涟漪，以光的速度向外扩散。

　　黑洞合并的交响曲已经奏响，只是它几乎无声无息，混杂于所有噪声中。

　　100年前，物理学家爱因斯坦做出了关于引力波的预言。时空告诉物质如何运动，物质引导时空如何弯曲。当物质在时间的“水面”运动，水波便会荡开。但他又说，在所有能想得到的情况下，引力波的辐射都可以被忽略。

　　有多小呢？当一列引力波向你走来，你便会经历一个忽高忽矮、忽胖忽瘦的神奇过程。但是这样的一个变化幅度，大概为一个氢原子的五百亿分之一那么微小。

　　不过人类并未因此放弃探测引力波。实验物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）用共振法寻找引力波，他自己发明了一种铝制圆筒作为探测工具。上世纪60年代末，他宣称引力波撞击了这一探测器；但他实验结果从未再现，又无法解释，因此未获认同。

　　但不管怎样，追寻引力波的征程开始了。

　　又是几年过去，1974年，两位科学家发现了一对脉冲双星。这个星体由两个在近距离轨道里相互缠绕的中子星组成，而且以爱因斯坦预测的速度螺旋式向内靠拢——这是引力波存在的间接证据！神秘的引力波，现出了一个朦胧身影。

　　可是还不够。20世纪90年代起，在世界各地，一批大型激光干涉引力波探测器开始筹建。它们是人类用来捕捉引力波音符的耳朵。

　　17年前，激光干涉引力波天文台（LIGO）在美国初步建成。一晃十年，它没有探测到任何确定的引力波信号。2010年，LIGO开始对探测器进行升级。2015年9月，灵敏度提升了十倍的升级版LIGO整装再出发。长臂中的激光再次不知疲倦反复奔跑，等待着引力波降临，那个神奇的干涉图纹的出现。

　　2015年9月14日，一个与往常并没有什么分别的夜晚，人类终于捕捉到了13亿年前黑洞合并奏出的那首交响曲的音符。他们给它取名为GW150914。爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图，被补上了。

　　当地时间2016年2月11日，LIGO科学合作组织向全世界宣布，人类首次直接探测到了引力波。

　　“我们今天庆祝的发现体现了基础科学的悖论：它是辛苦的、严谨的和缓慢的，又是震撼性的、革命性的和催化性的。”麻省理工学院校长在给全校的信中如此写道。

　　“存在的东西永远就在那里。只是我们不知道，它会在什么时间、什么地点以什么形式被发现。即使不是LIGO，欧洲的eLISA卫星探测，法国和意大利等国合作的VIGRO探测器；德国的GEO 600 探测器，中国的阿里和天琴计划……必然有一个项目，能探测到引力波。” 中国科学技术大学天文系教授蔡一夫教授说。

　　爱因斯坦的预言是对的，然后呢？

　　德国马克斯·普朗克引力物理研究所博士生明镜喜欢拿远古生物奇虾打比方。这种生物，率先进化出了可以真正“看到”东西的眼睛。“现在，我们看到了第二种光。人类从此有了第六感，就像有了超能力。”

　　引力波天文学的基础是引力波探测，它是天体源物质运动或质量分布发生变化时产生的，在宇宙中更为普遍。“它可以提供电磁辐射不能携带的信息，探测到无法用电磁辐射或不具有电磁辐射的天体，为我们描绘出与（以电磁辐射为观测基础的）传统天文学给出的完全不同的宇宙图像”。明镜说。

　　这一发现同样会让物理学家振奋。物理学两座金碧辉煌的大厦——广义相对论和量子力学，在其各自领域巍巍耸立；但遗憾的是，它们似乎各自独立，并无关联。物理学家追寻着一种“大统一”，希望四种基本作用力（强力、弱力、电磁力和引力）能够被纳入一个统一模型。“引力波就能让它们产生交集，为它们架起桥梁。”蔡一夫说。而明镜也认为，引力波或可以成为打开大统一理论的钥匙。

　　当然，LIGO探测到的，只是引力波的一种。美国麻省理工学院物理系研究员苏萌介绍，针对不同天体物理与宇宙学起源的引力波信号，探测引力波的主要手段目前共有四种。

　　超大质量黑洞并合时发出的引力波，对应的频率在百万分之一到一万分之一赫兹；科学家用若干精确校准后的毫秒脉冲星在宇宙中排成校准源阵列，利用地面的大型射电望远镜来寻找它；而针对十万分之一到一赫兹的引力波，则可用空间卫星阵列，我国由中山大学领导的“天琴计划”，正是该类型的引力波探测。

　　而此次地面激光干涉手段探测的引力波，目标是几十到几千赫兹的高频段，其主要信号源就是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统并合过程。

　　还有一种，是在宇宙微波背景辐射中寻找原初引力波。

　　“宇宙的标准年龄是138亿岁。这次我们知道了一个很小的区域在10多亿年前是什么情况，但是宇宙刚形成的时候发生了什么呢？”蔡一夫说，我们可以更有野心。

　　宇宙暴胀理论认为，在大爆炸发生后的极短一瞬间，宇宙经历了一场快速膨胀，时空产生了剧烈扰动。这一过程中产生的原初引力波就会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下可探测的印迹。CMB是宇宙的第一缕光，它是宇宙创生大概在38万年时的样子。寻找原初引力波，就是要在这一微波背景辐射找到引力波的独特印记——光的B模式偏振。

　　南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。然而南极纬度太高，能看到的天区也是“犹抱琵琶半遮面”。至于北半球的最佳观测点，在格陵兰岛和我国西藏阿里地区。中国科学院高能物理研究所正在主导推动阿里CMB探测计划。该计划负责人张新民表示，阿里地区大气透射率高，水汽含量少，而和格陵兰岛相比，它已经具备了完善的台址条件，“西藏阿里建设望远镜，可见天区比格陵兰要大一倍，我们占了天时地利。”

　　科学家期待着，在海拔5000多米的阿里，去破译“宇宙如何诞生”的密码。中科院高能物理研究所副研究员李虹介绍，该项目计划通过中美合作模式，领导建设北半球首台CMB望远镜，实现北天区首次CMB高灵敏探测。

　　“现在能听到一个音符，我们将来会一首首地记录宇宙的交响乐。”苏萌如此展望。