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《纽约客》重磅长文:「发现引力波」背后最完整的内幕故事

英文原文: Gravitational Waves Exist: The Inside Story of How Scientists Finally Found Them 作者 Nicola Twilley; 译者赵巍,来自机器之心; 引言:备受瞩目的引力波发现研究已经在国内各大媒体得到了广泛的报道,但这个涉及到科学技术、历史、科学

《纽约客》重磅长文:「发现引力波」背后最完整的内幕故事

  英文原文:Gravitational Waves Exist: The Inside Story of How Scientists Finally Found Them

  作者 Nicola Twilley;译者赵巍,来自机器之心;

  引言:备受瞩目的引力波发现研究已经在国内各大媒体得到了广泛的报道,但这个涉及到科学技术、历史、科学家、甚至谬误与运气的丰富故事,以及里面的戏剧性细节,这次还是第一次和大家见面。来,和我们一起,听一听这个有趣的故事的完整版。

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  十几亿年前,距离这里有数百万个河外星系之外,两个黑洞发生了碰撞。它们彼此围绕旋转了亿万年,好像是求爱的舞蹈,每一圈后都在加速,呼啸着靠近对方。到了它们间距只有几百英里的时候,它们几乎以光速旋转,释放出强大的引力能量。时间和空间被扭曲,像是壶里面煮沸的水一样。在不到一秒钟的分毫瞬间里,两个黑洞终于合并为一,它们辐射出比全宇宙的恒星辐射出还多几百倍的能量。它们生成了一个新的黑洞,质量约 62 个我们的太阳一般,面积几乎和缅因州一样。在它(新黑洞)平静下来的过程中,逐渐形成一个扁平的球状,最后的几缕颤抖的能量逃离出去。然后时间和空间再次寂静了。

  黑洞碰撞产生的引力波向四周传播,旅途中随着距离衰减。在地球上,恐龙崛起,演化,消亡。引力波继续前进,大概五万年前,引力波到达了我们的银河系,正当智人开始取代其近亲尼安德特人开始成为地球上最主要的人猿。100 年前,爱因斯坦,灵长类物种中进化的最先进的人类的一员,预言了引力波的存在,激发了数十年的猜测和无果的寻找。20 年前,一个巨大的探测器开始建设:the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)。终于,在 2015 年的 9 月 14 号,在中午 11 点(中欧时间)前,引力波到达了地球。Marco Drago,一位 32 岁的意大利籍博士后学生,全球 LIGO 科学合作组织的成员,成为第一个注意到它们的人。Marco 当时坐在位于德国 Hannover 阿尔伯特爱因斯坦研究所他自己的电脑前,远程观看 LIGO 的数据。引力波出现在他的屏幕上,就像一个被压缩了的曲线,不过 LIGO 装置着全宇宙最精致的耳朵,可以听到千亿分之一英尺的振动,应该仿佛听到了被天文学家称为「蛐蛐叫」的声音 —— 一声微弱的由低到高的呼叫。一年之后,在华府的新闻发布会上,LIGO 团队正式宣布那个信号即为历史上第一个直接观测到的引力波。

视频说明:两个黑洞的碰撞看上去,听上去会是怎样的?

  当 Drago 看到信号时,他惊呆了。「当时很难决定该做什么,」他后来告诉我。他通知了一个同事,同事冷静的通知了位于 Livingston,路易斯安那州的 LIGO 控制中心。消息开始在上千个参与这个项目的科学家中传播开来。在加州,David Reitze,LIGO 实验室的执行总监,刚送走了女儿去学校,来到了他的加州理工办公室,马上就被各种消息淹没了。「我不记得当时具体说了什么了,」他告诉我说。「大致的反应是,『天哪,这是个什么东西?』」。Vicky Kalogera,西北大学的物理与天文学教授,当时开了一天的会,直到晚餐时才听到消息。「我老公请我把餐桌布置好,」她说,「可是我完全不理他,只顾着浏览一大堆古怪的电子邮件并自问,到底发生了什么事?」Rainer Weiss,已经 83 岁高龄物理学家,是早在 1972 年 LIGO 项目的最初提出者,当时正在缅因州度假。他登陆到系统上,看到了信号,然后大叫道:「我的上帝啊!」音量如此之大,惊得他的妻子和成年儿子跑过来看他。

  合作研究人员立即开始了非常细致繁重的两遍,三遍,四遍的数据确认。「我们说我们做了约质子直径千分之一大小的尺度的测量,向我们讲述着两个黑洞在 10 亿年前的合并,」Reitze 说道。「这可是一个非同寻常的宣布,需要非同寻常的证据支撑。」与此同时,LIGO 科学家们被要求宣誓保守秘密。随着这一发现的传言散布开来,从 9 月份末持续到最近一个星期,媒体的激动进入了尖峰状态;也开始有关于诺贝尔奖的议论。不过所有的合作者给外界任何询问这件事的任何人一个统一的简单的答复——他们仍然在分析数据,还没到发表结果的时候。Kalogera 甚至连自己的丈夫都没告诉。

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  LIGO 由两个设施组成,相隔 1900 英里——大约坐飞机需要 3 个半小时,不过对于引力波只需要万分之一秒就能到达。位于路易斯安那的探测器,位于 Baton Rouge 东部的湿地,周围环绕着商业松树林;另一个位于华盛顿州的探测器,在全美核废料数量最多的核设施的西南部,位于沙漠灌木蒿,风滚草,和废弃的核反应堆之间。在每一处设施,都有两个 12 英尺高的互成直角的混凝土管道伸向远方,从高空看上去像是木工的矩一样。管道是如此之长,将近 2.5 英里,他们需要在尾端从地面升起近 1 码,来确保管道自身的直线性,与地球表面自身的弯曲分离。

《纽约客》重磅长文:「发现引力波」背后最完整的内幕故事

  LIGO 是更广泛的找寻爱因斯坦广义相对论难以测量的效应的工作的一部分。这一理论,简单的说,声称时间和空间会在质量面前被弯曲,时空弯曲的效应就是我们日常感受的引力。当两个黑洞彼此围绕,它们把周围的时空伸展和压缩,就像孩子们在蹦床上跑来跑去,生成可以传播到周边的振动;这些振动就是引力波。引力波经常路过我们身边,来自宇宙中各种源头,但是引力是比所有其他基本自然作用中更微弱的——电磁作用,比方说,也就是束缚原子的作用——以致于我们几乎从来感觉不到它们。爱因斯坦曾认为引力波可能永远都不会被探测到。他甚至两次宣布引力波不存在,然后一次再一次的修正他自己的预测。当时一个怀疑者曾经评论说引力波好像是靠着「思维的速度在传递」。

  从理论提出开始,过了 50 年才有人开始建造可以检测引力波的设备。第一个尝试这么做的人是一位马里兰大学的工程学教授,名叫 Joe Weber。他把自己的设备命名为「谐振条天线」。Weber 相信铝制的圆柱体可以被当作铃铛,放大微弱的引力波。当引力波撞到圆柱体,圆柱体会轻微的振动,圆珠周围的传感器会把这种振动转化为电信号。为了确保他测量到的不是周围经过的卡车或者轻微地震的振动,Weber 发明了一些保护措施:他将他的条悬置在真空中,他使用了两个谐振条,位于不同的地点,一个在马里兰大学的校园,另一个在芝加哥附近的 Argonne 国家实验室。如果两个谐振条在微小时间间隔中产生同样的振动,他认为就是可能是引力波造成的。

(责任编辑:幽灵学院)
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