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第15章 一群探索宇宙奧秘的人

Little Cave on Figueroa

洛杉磯高地公園離加州理工學院不是很遠。幾名研究員每個星期二都會去那裡喝酒,我也被邀請參加。項目組嚴格禁止任何矯揉造作的言行。在物理學這個小圈子裡,人們對這種言行更是深惡痛絕。事實就是事實,不需要任何粉飾、渲染,遣詞造句也以精簡、直白為宜。這個特點淋漓盡致地體現在發給我的那條邀請信息上:「我們星期二去喝酒。如果願意,你也可以參加。」

「菲格羅亞大街上的小屋」打烊時間很晚,還免費贈送玉米面卷。儘管周圍有磚牆,頭上有屋頂,但還是有點兒「戶外」的感覺。在這裡,人們可以喝酒、吸煙。是的,吸煙,竟然還有人吸煙,這真令人吃驚。現在已經沒有人吸煙了。我猜想,歐洲人應該會吸煙,歐洲人是煙草氾濫的一個原因。儘管美國人也吸煙,但對煙草的癡迷程度比不上歐洲人。

「小屋」的采光比較暗,達不到酒吧的一般標準。音樂很棒,酒吧招待身上有一種20世紀80年代朋克歌手的味道。如果真的是來自20世紀80年代的朋克歌手,那就有些可怕了,好在他們只是給人一種類似朋克歌手的感覺。儘管從那裡走到火車站需要50分鐘,儘管我背著沉甸甸的計算機設備,儘管物理學論文、旅行包、手套,還有因為洛杉磯夜晚溫度會大幅下降而特意準備的毛衣壓得我不舒服,但我還是非常喜歡這間「菲格羅亞大街上的小屋」。

一張兩人桌的周圍放著很多酒吧圓凳,一群科研人員圍桌而坐,正在用帶口音的英語侃侃而談。我們都是這個項目的過客。人們坐在一起,總是喜歡打聽彼此的人生歷程:「萊納在的時候,你到麻省理工學院了嗎?」不斷有人加入,或者是接受了一份為期兩年或三年的研究工作,或者是讀研究生,或者是搶到了一個稀缺、熱門的教學崗位。同時,也不斷有人離開,或者是去從事一份為期兩年或三年的研究工作,或者是讀研究生,或者是受到了一個稀缺、熱門的教學崗位的吸引。一般來說,他們不會邀請學校裡的教授參加星期二的飲酒活動。

我正在想方設法融入實驗人員這個群體,我有些問題要問他們。這些問題既不需要費神思考,也不會挑戰他們的能力。在儀器領域,他們都是專家,而我是外行。知道我同意參加他們每個星期二舉行一次的聚會,傑米感到很好奇。他低聲對我說道:「你是科學界的重要人物。」聽到這句話我非常高興,同時希望這不是對我的譏諷。在觥籌交錯的時光中,我慢慢地融入了他們的圈子。

博士後(博士後研究員的簡稱)更是來去匆匆的過客,他們的公寓就是「過客」這個概念的完美詮釋。我去過他們的公寓,那裡他們有童年時期旅行時購買的紀念品,還有10多年前在校園附近淘換的二手沙發。那些老掉牙的傢俱與房間的結構很不搭,給人一種不和諧的感覺。砌在牆裡的壁爐被幾輛自行車擋住了。總的來說,公寓的主人彷彿要告訴別人:「我不打算長期住在這裡。」但也有人在這個臨時性住所裡住了多年。一般來說,每過兩年、4年或者5年,他們就會搬家,幾乎不會在一個地方待很長時間。

然而,這些科研人員之間的聯繫將會保持幾十年,甚至直到他們生命的終結。他們要麼在「小屋」聚會,要麼在路易斯安那州的LIGO天文台、意大利的Virgo天文台或者尼斯天文台出席會議。就這樣,在地球上,在思想裡,在合作中,他們找到了生命的永恆意義。

科研人員就是操縱桿、調節器,就是固定在攀巖牆上幫助人們向上攀爬的支點,各種知識(全部是人類思維的產物)與現實混雜在一起,搭建起攀巖牆的牆體,我們的思想則構成了一道過濾網,穿過這道過濾網,才可以開始進行攀巖活動。科學、自然和數學都有一個非常重要的探索目標,但是,只有通過個體的努力,才能成功地爬上那堵高牆。現在,各種各樣的人紛紛站了出來,有法國人、德國人,還有美國姑娘。因此,向頂峰攀爬是一種個人行為,是真正由人類完成的一項事業,是真正意義上的探索活動,它沒有採用柏拉圖式的理想形式,而是在分解之後交由個人來完成。最終,它變成了一種個人行為。同時,我們希望它也是一種客觀真實的行為。

星期二的聚會通常會邀請志同道合的人參加,因此出席者都真誠相待,卸去了職業的偽裝,還流露出一種疲憊的感覺。

2013年2月,我第一次同這些博士後喝酒,當時,LIGO探測器的升級進程大約完成了一半。升級完成後,新的探測器將被稱作高新探測器,簡稱「aLIGO」。我跟他們說起2015年完成第一次探測的計劃,他們都笑了笑,然後無奈地搖搖頭。不可能,不可能,2015年是不可能的。有人喊道:「不過,或許行吧。」或許可以安排一兩個月的時間進行測試,但是完成探測是不可能的。有人則非常悲觀,說至少要等到2018年。

他們大都出生於20世紀七八十年代,或許有一兩個人是「90後」。他們都不知道約瑟夫·韋伯,但他們卻在與韋伯建造同一艘船,不對,應該說他們正在尋找同一個寶藏。當初,韋伯這個瘋狂的傢伙設計了一個注定無法成功的棒式引力波探測器,然後在簡陋的實驗室級別的金屬板的慫恿之下,發佈了後來令他無比痛苦的「成果」。現在,在蒸汽朋克技術折戟沉沙的地方,他們借助相同的藏寶圖,開始了新的尋寶之旅。

由於不確定因素的干擾,所有人都有些麻木了,個人的注意力因為對機器不同組成部分(懸掛系統、光纖、直流輸出轉換等)的無聲關注而分散,團隊的注意力則對共同項目的有聲關注(安裝的迫切性、靈敏度目標以及科學界的看法等)而無法集中。然而,緊張、興奮的情緒為他們提供了支撐下去的動力。探測器很快就可以投入運行了,在他們每天揮汗如雨的努力下,目標越來越清晰,眼看就要變成現實了。

在描述即將實現的成果時,我們都有自己獨特的風格。在做演講演示時,我們都會根據自己的偏好,避免使用那些很難理解的術語和概念。到目前為止,我已經聽過無數個版本了。僅這個晚上,我就聽到了幾個簡短的版本。圍坐在這張桌子旁的人都是團隊的一分子,他們都付出了努力,也都有權分享成果。他們探索的不只是黑洞,他們從事的工作也不是清點庫存、建立索引。

我們傾聽的是直接來自一種基本力的信息,是由這種基本力的載體直接傳送到我們耳邊的信息。我們將直接聆聽自然基本法則的信使為我們送來的信息。我之所以使用「直接」、「信息」和「基本」這幾個詞,目的是讓你同那晚坐在桌旁的所有人(無論他們在自己的版本中如何使用這幾個詞語)一樣,可以領會其中的「模因」(meme)。

只有最劇烈的災難性天文現象產生的引力波才能將信息傳遞給LIGO探測器。基於這個原因,黑洞、宇宙大爆炸、超新星爆發將更容易被發現。因此,儘管我們目標遠大——與基本法則直接對話,但我們也應該對這個領域中的個別創造表示我們的敬仰之情。

黑洞發生碰撞後,周圍的空間會不斷振蕩,直到一個完好無缺、更加龐大、不斷旋轉的黑洞形成並穩定下來,空間才會恢復平靜。所有的緻密雙星系統合併時,都會發出聲音,而且高度與強度不斷增加,最後變成獨特的「唧唧」聲。運行軌道的具體特徵對聲音有影響作用,因此我們可以根據聲音推斷「鼓槌」的運動軌跡。

中子星發生碰撞後,很有可能形成黑洞。在這個過程中,由於大塊外殼從中子星上脫離,可能會導致中子星質量減小,以至於在碰撞之後還會產生一個中子星殘骸。在合併之前,用望遠鏡基本上是無法觀測到中子星的。但是,發生碰撞(廣義)時,這些有超強磁場、超導、密度等於原子核的星體就會破碎,釋放出強烈的γ射線(能量高於X射線)。在人們已經知道、觀察到並加以研究的γ射線暴(簡稱GRB)中,有一種就是中子星碰撞形成的。人造衛星曾經發現γ射線暴,並拍攝了照片。但是,γ射線爆發持續時間極短,人造衛星來不及調整焦距,拍攝的照片比較模糊。人造衛星可以追蹤釋放出來的能量,觀測到爆發由強到弱、逐漸消散的過程,有時還可以記錄下爆發後的蒼白色殘骸。引力波天文台與人造衛星光學觀測之間的合作,給科研活動帶來了一片光明的前景。LIGO探測器可以記錄最後幾分鐘的旋近情況,觸發人造衛星調整角度,觀測即將發生的爆發。這個方興未艾的研究領域的數據來源有光波和引力波兩種,因此被稱作「多信使天文學」。

形成緻密殘骸的超新星爆發是另外一個可能的目標。每隔幾百年,銀河系就會發生一次恆星爆發,因為距離非常近,所以不需要望遠鏡,肉眼就可以直接觀察到。但是,這種引力波攜帶的能量遠少於黑洞碰撞後產生的引力波攜帶的能量。如果現行理論沒有錯誤,那麼即便是高新LIGO探測器也難以探測到銀河系外的超新星爆發。

超新星爆發時會發出獨特的聲音,但是聲音的具體特徵取決於爆發的具體情況。有時好像鯨魚的咕嚕聲,有時又像抽鞭子的爆裂聲。聲音可以直接表現出星體在大災難中獲得的加速度情況。所有的超新星都與恆星爆發有關係,LIGO項目組中有一個小組,專門探測、分析這些爆發,包括預見到的和沒有預見到的。有人提議在超新星上碰碰運氣,試圖獲得第一個完成探測的殊榮,但更多的人認為超新星太安靜了,絕不應該選擇它們作為目標。

孤零零自旋的中子星是另外一個常見的引力波來源。如果這種中子星的表面是平整的,時空曲線就會波瀾不驚。但是,只要星體表面有山脈,每次自轉時就會在時空中形成漩渦,彷彿船槳划過水面時在水中留下左右不對稱的漩渦一樣。表面有少量山脈的中子星在自轉時會發出單一頻率的純音,表面不規整的中子星自轉時會發出連續而單調的聲音。

宇宙大爆炸產生的可能是一種刺耳的嘈雜聲。總的來說,這些聲音應該是一種毫無特徵的白噪聲——與靜電噪聲非常相似的嘶嘶聲,到140億年後的今天,已經變成很弱的嘶嘶聲了。根據我們目前對大爆炸之後宇宙演化過程的瞭解,在大爆炸發生不到10–36 秒的時間,時空的急劇膨脹就把大爆炸的噪聲稀釋到接近無聲的狀態。但是,宇宙大爆炸的確發出了一聲巨響。由於引力波現在已經變得極其微弱,因此我們通過LIGO探測器肯定無法聽見這創世之初的聲音了。但是,如果在太空中安放干涉儀的任務取得成功,那麼即使宇宙大爆炸的殘餘聲音達不到LIGO的探測範圍,太空中的干涉儀也可以直接探測到。

另外,不同星系中無關聯的緻密星體發出的不相干的聲音,也有可能在隨機條件下被我們的探測器捕捉到。緻密雙星系統的重疊部分就有可能會產生隨機背景噪聲,但在干涉儀進入太空之前,可能都不會造成可怕的後果。

我第一次聽到基普在報告中談到他們有可能開闢一條瞭解宇宙奧秘的新途徑時,我就對它充滿了期待。是否還有我們想像不到的天文現象呢?我們能探測到暗物質、暗能量或者暗維度嗎?

在漫長的一天快要結束時,人們往往喜歡討論實驗中遇到的具體問題,比如噪聲。在任何科學實驗中,噪聲都是一個絕對需要關注的大問題,引力波實驗也不例外。但是,之所以使用噪聲這個名詞,與引力波是一種聲音這個概念沒有關係。噪聲是指所有探測器搜索目標信號時出現的錯誤。在引力波實驗中,噪聲可能有兩個含義:一是指你必須容忍的錯誤,代表精確度方面的不足;二是指某種聲音。在「菲格羅亞大街上的小屋」裡與朋友交談,你會聽到嘈雜的背景聲,還能聽到朋友的說話聲。我想要接收的信號是朋友的說話聲,但是她的聲音淹沒在巨大的音樂聲中。人們精心編寫出各種算法,以消除那些可預見的噪聲,例如上述例子中的音樂聲。但是,摒除其他人的說話聲,只留下我們希望聽到的聲音,這是一個難度很大的任務。探測器探測到的引力波的聲音可能比背景噪聲弱,引力波聲音的峰值水平甚至也比不上那些喧囂聲,數據分析師的任務就是在鋪天蓋地的噪聲中,把這些目標聲音找出來。

如果引力波記錄指向天空中的某個明亮的光源,就可以補充我們既有的證據,這比單獨的錄音證據更有說服力。我們可能需要提供多個「信使」送來的信息,才能讓奧斯特裡克等懷疑論者心服口服。

項目組不斷地迎來又送走一批批更年輕的科研人員。雖然每個人都有自己的追求,但他們更多的是把自己看作這個龐大機器的組成部分。LIGO項目的兩個場地都已經完成了高級反射鏡、激光器和隔震系統的安裝工作。接下來,就會進入試運行階段,也就是說,所有安裝好的子系統同時啟動,成為一台可以正常工作的整機。利文斯頓的探測器已經處於鎖定狀態,就在幾天前,漢福德的探測器也進入了鎖定狀態。幾周以來,所有人輪流上陣,每名實驗人員的合作對象都不固定,因此沒有一個人受到表揚。現在,在他們的努力下,不久前安裝好的這套高新機器進入了操作模式。我有時會在夜間查看他們的工作日誌。一天晚上,一條在凌晨4 : 23記錄的日誌讓我輾轉反側,難以入睡。「機器再一次進入了鎖定狀態,在這40秒鐘的時間裡,所有信號似乎都比昨晚穩定。」有的日誌記錄的是他們遭遇的挫折:「今天的情況十分不好,機器無法進入鎖定狀態。」接著,幾天後記錄於凌晨5 : 24的一條日誌說:「機器進入鎖定狀態已經有一個多小時了,CARM(迴旋自諧振脈塞)和DARM(機器臂)分別受到了數字式REFL91和ASAIR 45Q的控制,因此探測器的週期發生了一個33 W/W(質量比)的增益……這意味著探測器的清晰度大約是94%。」為了更好地理解它,我查閱了縮略詞語表,但在當時,一看到這條日誌,我立刻產生了一種愉悅的感覺。探測器進入了鎖定狀態,靈敏度也非常好(儘管還沒達到要求)。

第二天上午,很多人對這條日誌進行了評論,向致力於機器組裝工作的科研人員們表示祝賀和感謝。雷納留言說:「第一個噪聲譜!幹得漂亮!」從第一次進入鎖定狀態開始,第一代LIGO探測器花了近4年時間進行調試,才實現了靈敏度設計目標。高新LIGO探測器的進展似乎快得多。那晚,我聽說他們計劃在接下來的6個月時間裡,竭盡全力改進探測器的靈敏度,使它可以分辨微弱的回聲。接下來,在2015年9月,他們就會開始第一次科學運行。到那時,探測器需要在幾個星期內一直保持鎖定狀態。他們的目標是探測出4 000米長度上發生的原子核直徑千分之一的變化。現任項目負責人戴維·瑞茲在日誌上留言:「太棒了!為所有人頒發噪聲捕捉從業資格證書!」

在參加「小屋」聚會的科研人員中,很多人經常要到控制室、激光與真空設備區,從事編寫控制系統編碼、檢測反射鏡塗層、焊接電器元件等工作。他們來到加州理工學院,可能是短期訪問,也可能準備定居下來。我們坐在桌邊,天南海北地閒聊。談話的主題不定,我們相互開玩笑逗趣,還不時冒出一兩個專業術語。

午夜時分,最後一杯酒也喝完了,我們來到空蕩蕩的大街上。大家抬起胳膊,東南西北亂指一氣,隨後有人走向人行道,有人朝街對面走去。回到簡陋的住處後,我們或者分享一張學生床,或者睡到朋友的沙發上。酒吧的喧囂聲還在耳邊縈繞,幸運的是,持續時間不是很長。