引力波猎人

文章作者:324talent | 2016-07-08
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一个天体以非同寻常的运动模式快速划过天空,齐雅拉·明格瑞利和她的伙伴们,在安大略的一片乡村田野里看到了它,那里是他们的夜间观测站。解释很清楚:外星人。她下一步要做什么也很明确,就是飞快地跑回家,向父母解释自己所处的又一个不安全环境:她在凝视一艘外星飞船时有人看到了她。

童年的经历为明格瑞利一生热爱天文学奠定了基础。今天,她仍然在向天空张望,但是要看得更远。她的专长是搜寻引力波,尤其是处在纳赫兹频率波段的那些引力波(LIGO最近检测到的引力波,频率比这一波段高出万亿倍)。她目前在LIGO项目的领导机构之一加州理工学院供职,让她带着我们领略最近引力波检测实验的突破所带来的兴奋和含义,非常合适。

问:您对LIGO检测到引力波是什么反应?

答:哦,我的天呐!我简直高兴极了。您知道,这简直太好了,好得让人难以相信是真的。因为我们总是在说,5年到10年之内,我们会检测到一些东西。不是吗?我们总是这么说,而现在等待终于结束了。我们终于可以说:“哦,我们已经检测到了一些东西,这很不可思议!”这种感觉非常棒。我认为这会催生天文学里的一个全新的分支,专事检测引力波。或许10年之内,我们可以用脉冲星计时阵列检测到引力波,并且享受同样的欢庆和热闹。我觉得大家(尤其是公众)对这件事的反应是压倒性的,人们对这一结果非常感兴趣,对这种认识宇宙、时间、重力和时空涟漪的新方式非常感兴趣。所以我欣喜若狂!这简直令人难以置信。

这两个黑洞的质量分别是太阳质量的29倍和36倍,这一点很令人惊讶。从第一天开始,为LIGO 实验做概率预测的人们就说,我们会首先检测到两个中子星间的碰撞,因为这一现象更常见。但事实是,我们首先看到了双黑洞,而且它们的质量特别大,这太疯狂了!这就是这一类发现的美好之处,它总是会带给你惊喜。现实比你能够想到的更酷,我希望脉冲星计时阵列也能获得这样激动人心的结果。

问:加州理工学院的其他科学家对LIGO检测到引力波有怎样的反应?

答:加州理工学院的艾伦·韦恩斯坦教授告诉我,说他在接到电话通知时,是持怀疑态度的,因为整个研究团队都无法相信那是真的。他们搜寻引力波已经几十年了。起初他们认为这是一个盲测,有人在他们不知道的情况下人为输入了一个信号。然后,他们又认为这或许是一个双盲实验,因为看上去没有人知道到底发生了什么。不管是谁输入了这个信号,他都没有告诉任何人,这将是一个巨大的秘密,还不能算作一个真实信号。但是最后,所有人都发誓说他们没有输入信号,因此研究团队开始思考:“哦,我的天呐,这可能是真的!”这时候艾伦想,或许这是一个三重盲测实验,也就是说有黑客入侵了系统,擦除了自己的操作痕迹,在镜面上产生了完美的引力波信号。或许没过几个月就有人宣称自己设计策划了这一事件,以羞辱整个研究团队。当然艾伦也承认,这个信号是双黑洞合并的可能性,要比有人拥有这一级别的电脑黑客水平并且有兴趣入侵LIGO的可能性要大得多。

问:LIGO的结果为什么很早就被泄露了?

答:我认为有很多途径会导致信息泄露。最简单的就是,有人复印了一份文稿,但把它忘在了复印机上,其他人看到之后,用手机拍照并且发送给了朋友。你知道的,这种事情的发生谁都无法控制。有很多种方式会导致意外,造成信息泄露。另外,这一发现实在太令人激动了。如果你刚刚找到证据支持爱因斯坦的引力理论,怎么可能不想告诉你的朋友这一重大发现?毕竟这项检测已经花了整整100年时间。

我看到的一项估计声称,国家科学基金会(NSF)已经向LIGO项目拨款十多亿美元。这是一个真正昂贵的实验,而它的目的只有一个,就是检测到引力波。如果在几十年的尝试之后这个目的终于达到了,你当然会打电话给别人,说:“天呐,您猜猜刚发生了什么?”一项有基础性重大意义的发现刚刚产生了,你可能会因此获得诺贝尔奖,你会很自然地想要告诉其他人,不是吗?所以,我觉得让所有人都对这一发现保持沉默实在是太难了,当然会有一些信息泄露。

引力波同样可以拉伸和压缩时间。为什么在LIGO的检测里我们找不到这一方面的内容?

答:第一件要注意的事情是,广义相对论是一套关于时空的理论。在时空理论中,空间和时间是一个量。为了描述空间和时间,我们需要建立一个参考系,因此我们需要挑选一个坐标系统。一旦这个坐标系统建立起来,就有很多种不同的方式来描述其他的参考系如何移动。我们通常选择一个非常简单的参考系来建立这一坐标系统,在这一参考系里没有时间组分(但是这并不意味着它不能够包括时间,而只是意味着我们选了一个不用考量时间的参考系。你可以旋转这个参考系,重新将时间组分包括进来。这么做的原因很重要,如果我们选择一个描述性的参考系,这个参考系有时间膨胀效应,解释起来就很困难,并且无法做到直观。为了有一个确实清晰的理论,我们选择了引力波横向的参考系)。也就是说,如果坐标系从我的额头位置经过,而引力波从正交方向经过,就会拉伸和压缩时空。这就是引力波的两种不同极化方式。这时候你就可以认为有了时间膨胀,并且可以通过数学语言来描述它,但这么做并不直观。

选择一个适当的参考系来描述引力波效应并不是一件容易的事,很多研究者在这上面都犯了错误。让引力波横向通过参考系,让质量自由落在参考系上,产生引力波效应,测量空间扭曲,这是一种非常直观的思考方式。但是你也可以认为实验激光产生了时间膨胀效应,这是由镜面被拉伸和压缩造成的。从这个角度讲,你也可以认为这项实验测量的是时间膨胀效应,信号抵达的时间在一定程度上被延迟了。或者你可以认为这项实验在空间里受到了拉伸和压缩,不得不进行迁移,然后在光线重新汇集的时候捕捉到了信号。

问:我们处在一个恒定的引力波背景当中吗?

答:引力波和物体之间的相互作用非常弱,因此,我们事实上正处在一个由引力波构成的背景当中。如果想要更具体一些,给出一个例子,就让我们来看看特大质量黑洞的双黑洞合并。当一个星系与另一个星系合并的时候,两者拥有的特大质量黑洞会相互融合,产生一个新的黑洞。这一事件已经发生了数十亿年。因此,宇宙中不只是拥有单个的、由独立系统产生的引力波,而是拥有整个引力波背景,就像波涛汹涌的大海。引力波从各个方向传来,互相产生干扰,因此就使得引力波背景具有了像波涛汹涌的大海一样的模式。

目前,对这种信号的样子我们已经有了非常好的理解,尤其是在脉冲星计时阵列里。这些估计值来自不同星系合并时的信号。因此,合并的星系越多,背景也就越高。它同时也取决于星系中心超大质量黑洞的质量。黑洞的质量越大,背景就越强。在不检测引力波背景的情况下,我们也可以设定上限,只要背景达到了这个水平,我们就可以检测到它。但因为我们还没有检测到任何信号,就可以排除那些声称宇宙中每个星系中间都具有100亿倍太阳质量大小的黑洞的假说—如果这一假说正确,我们早就可以检测到它们产生的信号了。我们可以以这种方式继续排除假说,直到我们检测到信号。因此,这个上限可以通过我们无法看到的东西揭示关于宇宙的有趣信息。

问:早期宇宙中有引力波背景吗?

答:事实上,早期宇宙的引力场中有量子波动,这就产生了原始的引力波,这也是非常有趣的。这些量子波动产生了原初引力波,而这些原初引力波在宇宙膨胀时期就被摧毁了。我们现在可以寻找这些原初引力波,它们从某种程度上来讲类似于宇宙微波背景辐射。这就是可以利用LIGO极限的实验之一。我们可以利用宇宙微波背景实验的上限以及脉冲星计时阵列实验的上限,给不同的膨胀理论增加约束条件,从而排除一些理论。或者说,我们目前获得的证据无法支持这些理论。原初引力波是非常有趣的,也是我目前正在参与的一个活跃的研究领域。

问:引力波有什么样的频率?

答:引力波谱非常广,我们认为在很多波段都可以找到引力波—频率甚至可以低至10- 16赫兹。LIGO的信号来源是引力波谱的上限,它的频率在1000赫兹左右。千赫兹谱带是一个非常有趣的谱带,从几十赫兹到1000赫兹,它们的信号是可以被听到的,这也就是研究人员在描述LIGO信号时会发出一种轻快流畅的拟声的原因,就像是“啾”的一声。当引力波沿着时间走远的时候频率会增加,因此会发出这种独特的信号。

我研究的引力波处在纳赫兹的频率带,也就是1赫兹的十亿分之一。它比次声波还要低,而且它们不会发出啾声,因为它们还没有走到生命的尽头。这种啾声只在合并的最后阶段产生,因为这一阶段的频率会急剧增加。举例来说,在两个星系合并的时候,位于星系中心的两个特大质量的黑洞也发生合并,它们发出的引力波如果处于纳赫兹频率带,我们是可以听到的,但不是悦耳的啾声,而更像持续稳定的嗡嗡声。

LIGO的信号来源是质量为太阳质量10倍左右的天体,以及中子星等处于它们生命最后时期、正在内旋的致密天体;而纳赫兹引力波实验检测的是来自更大天体的信号,比如超大质量黑洞。在它们内旋的早期,这些黑洞的质量可以达到太阳质量的100万倍甚至10亿倍。

问:如果这一发现获得诺贝尔奖,只颁奖给几个人公平吗?

答:诺贝尔奖评奖委员会有规定,该奖项只颁给在其领域内有突出贡献的个人。我认为这一点最终是需要修改的,因为现在的研究都是大型实验,比如大型强子对撞机发现的希格斯玻色子。事实上,在大型强子对撞机,甚至欧洲核子研究中心的实验中,没有一项获得过诺贝尔奖,但是他们应当得到诺贝尔奖的承认。另一件奇怪的事是,诺贝尔和平奖颁给了欧盟,这显然不是颁给个人。或许评奖委员会可以以此为先例,修改诺贝尔物理学奖的评奖条件。不过,这些都只是我个人的观点和推断,我没有任何关于诺贝尔奖评奖委员会的内部信息。但是我认为,这些研究项目,即使不能获得诺贝尔奖,也应该获得某种地位象征的嘉奖。评奖委员会应该给予它们某种特殊的承认,或者是永久性的资金支持,或者是具有同等重要性的奖励,因为LIGO的引力波检测凝结了1000多位科学家的心血。任何一个研究引力波的人最终都会遇到LIGO,并且成为LIGO科学合作联盟的一员。因此,想要对这一实验和为其贡献过心力的所有人进行奖励,是挺困难的。

问:您对科学的兴趣是怎么产生的?

答:我小时候非常喜欢在室外玩,尤其是黄昏的时候。当看见第一颗星星在天空中出现,我觉得它真的美丽极了。我一直很想知道太空里都有什么,我是不是能够给人类对太空的认识做一点贡献。可我一个普普通通的人怎么可能做得到这样伟大的事情?但是我一直对此非常感兴趣,而且我认为自己的强项就是从来不言放弃。当我明白黑洞是什么,而且可以把研究黑洞作为一种谋生方式、一种职业时,我就想,为什么我要去做别的事情?这才是我喜欢做的事情。

所以,我猜我对科学的强烈爱好在小时候思考星星和宇宙时就开始了。我父亲是一位数学家,他问我长大想做什么,我说我真的非常喜欢天文学,但我不想仅仅是观测星星,我想做用到更多数学的事情,我喜欢挑战自己。我问他有没有天体物理学这种东西,我觉得父亲高兴得都要叫出声来了,他实在是太兴奋了!他说:“是的,是的,有天体物理学这种东西!哦,我的女儿会成为天体物理学家!”我一直对黑洞很着迷,直到今天也同样如此。

问:为什么公众对黑洞这样感兴趣?

答:黑洞具有非常有趣的两重性。一方面,它们非常简单,通过它们的质量和旋转就可以对它们进行描述。另一方面,它们又极度复杂,黑洞表面之下是什么?奇点到底是什么样的?它真的是具有无限曲率的点吗?它是夸克组成的海洋吗?它到底是什么样子?我们对光线接近奇点时的行为有一定认识,但没有人知道它真正是什么样的,在黑洞表面之下到底发生着什么。我觉得它应该就像一直在进行的烟花表演,当物质靠近奇点时,它们被移动、被撕裂,释放出X射线伽马射线和各种电离辐射,这些都会立刻导致我们死亡。但它到底是什么样的?

《星际穿越》中的黑洞吸积盘

我试图将它想象为一个喷泉,光线喷射出来,然后在接近黑洞表面的时候又落回原处。但是也可能会有简单的运动,这些运动具有各种奇怪并且美好的轨道,而奇点就位于中心。如果黑洞在旋转,奇点实际上就应该是一个环,而不是一个点。有一些理论认为我们可以通过这些环形的奇点到达不同的现实世界,即平行宇宙。但这里的推测性太强了,当然,如果我们看看描述黑洞表面之下的、数学公式,奇点之后确实是宇宙的一个副本,但这并不意味着这是一个不同的宇宙,或者能够通向一个不同的宇宙。并且,奇点周围的时空会变得非常不稳定。所以,这很可能只是数学上的一种侥幸,但它也可能是其他什么。

这些都是黑洞会如此迷人的原因。所有这些关于引力、黑洞或者五维空间的理论,都能很好地触动你的好奇心,让你考虑一些在去杂货店或是在电脑上打手稿时不会去想的问题。很多东西都需要大量的想象,而这正是它有趣的地方。另一方面,黑洞看上去可能是我们能够描述的最简单的物体了。如果您够幸运,还可能看到一个伴随体向黑洞贡献质量。这时你就会看见X射线从黑洞周围的吸积盘脱离,因为X 射线相对来说很轻—通过太空探测器你就可以看到这些。这很酷,不是吗?

问:《星际穿越》中对黑洞的塑造正确吗?

答:这部电影里有关黑洞的镜头是最棒的。我是说,卡刚都亚(电影中黑洞的名字)的视觉效果绝对震撼。这个黑洞事实上是真的。他们塑造卡刚都亚视觉效果的方法,是把爱因斯坦的场理论公式放在超级计算机上进行模拟,解决了科学家都很难解决的问题。我们没有足够的资金去购买超级计算机的运行时间,但是这部电影做到了!他们在超级计算机上跑完所有的模拟,获得了将近1000兆字节的数据,然后把这些数据整合起来,制作出了卡刚都亚的视觉效果。电影中,卡刚都亚还向我们呈现了围绕黑洞的第二个环,但事实上,这个环只是它后面吸积盘的透镜效果。这是我们之前从来没有看到过的,但如果你想一想,就会觉得它很有道理,只是之前从来没有人想过它看上去会是这个样子,因为我们都习惯于在二维平面上去看这些事物。我们画出的时空是一张平面网格,黑洞就是网格中的一个井,如果我们移动这个二维平面,就会看到黑洞是一个挺大的凹陷。但是想象它在三维空间的样子,或者看见它在三维空间的样子,看见它对光线的作用效果,是很震撼的。这部电影对这一方面的贡献功不可没,简直太美了。

问:在科学这个男性主导的领域里,作为一名女性,您有什么样的体验?

答:这是一个很难回答的问题,因为没有正确或者错误的答案,也没有哪种答案会让我受欢迎。事实上,作为一名女性,在科学界确实要面对很多困难,而造成这些困难的原因也是很多的。其中一个原因是,人们对科学家应该是什么样子有一个先入为主的看法,这些看法里会有隐含的性别歧视。哈佛大学做过一项隐形性别歧视测验,发现公众会更加尊重男性科学家。我甚至也是这样!承认这种偏见的存在是我们摆脱它的一种途径,它会提醒你尝试克制这种观念。我是不是真的在客观地看待对方的工作?有没有什么因素干扰了我的判断?我怎样才能削弱这种影响?

问:在与对科学感兴趣的年轻女性的交谈中,您了解到了什么?

答:这取决于她们上的是女子学校还是混合制学校。在我的经验里,在女子学校上学的女孩子从来没有想过自己不可以成为科学家或者领导者。她们都很乐于提问题,都显示出兴趣。虽然并不是所有人都对科学有兴趣,但也有一定比例感兴趣的,这很正常。然而,我发现在混合制学校里,如果我们开展宣讲科学的活动,男孩子总是到前面来,女孩子会在后面,并且羞于举手提问题。男孩子会觉得他们有资格站在前面,他们能够问出了不起的问题,这简直就是他们的工作职责,哪怕有时候他们的问题非常可笑。

希望这种划分将来会消失,我们不需要对女孩子进行单独教育才能消除性别歧视在非常早期就对她们产生的影响。当然,不可能所有人都像我小时候一样对黑洞感兴趣,但是她们或许能找到其他自己感兴趣的东西,成为地质学界、语言学界或者其他任何她们想要从事的领域中的我。

问:如果您没成为科学家,现在会做什么?

答:我可能会成为一名语言学家吧。我会说四种语言,三种很流利。我是在意大利读的硕士学位,在西班牙住了一段时间,学了西班牙语。我在渥太华长大,上的是法语学校。所以我的英语、法语和意大利语挺不错,西班牙语也还可以。但我从来没有把这当成一种职业来追求,因为这太容易了,我觉得做这么容易的事情有点投机取巧。我当时的想法是,如果我做语言学家,这太简单了,如果我真的挑战一下自我,会有什么样的成就?但是语言学和科学一样,也有自己的一套逻辑规则和结构,尤其是当你追溯到拉丁语的时候。我觉得语言学的一套东西非常有趣,所以我或许可以把自己对科学的好奇心、对分析的热爱和追本溯源的精神,运用到语言学一类的东西上去。

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