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我们可以观察到黑洞吞噬伴星的证据;我们可以观察到超大质量黑洞存在于星系中心的证据,因为沿轨道运行的恒星可以标记出它们的位置,尽管它们本身一团漆黑、难以观察;我们可以观察到长达几百万光年的黑洞喷流证据,因为即使在视线尽头的遥远星系上也可以看见这些喷流。但是,迄今为止,我们还没有亲眼看见黑洞。因此,如果真的能听到黑洞发出的声音,这样的前景的确令人激动不已。
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宇宙中肯定存在我们永远也无法看到的黑洞。它们要么孑然一身,要么绕着另一个黑洞运转。任何天体,无论多么明亮,都无法与它们靠得太近。我们也无法描绘它们的轮廓,至少目前做不到。但是,如果黑洞碰撞,就会发生时空弯曲,形成波,并以光速传播,让我们有可能听到时空振荡的声音。如果引力波探测器取得成功,可以将时空振荡声与噪声区分开来,我们就可以记录:恒星在坍缩之前最后几秒钟发出的爆炸声,中子星旋转时表面隆起扭曲时空发出的声音,中子星碰撞的声音,中子星碰撞并形成黑洞的声音。此外,我们还可以记录黑洞碰撞从而形成质量更大的黑洞时发出的声音,在这个过程中,会有1045瓦的能量以引力辐射的形式向外传递。
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自视为“引力辐射信徒”,赫尔斯–泰勒脉冲星的发现深深地激起了约瑟琳·贝尔·伯奈尔的兴趣。1993年,拉塞尔·艾伦·赫尔斯与约瑟夫·胡顿·泰勒因为探测并证实引力波的存在而共同获得诺贝尔物理学奖,尽管他们是通过推理的方式间接完成了这项证明工作。赫尔斯与泰勒历时数年,对一个编号为PSR B1913+16系统的运行轨道进行了详细观察。(编号中的“PSR”代表脉冲星,数字表示天体在太空中的赤经和赤纬。)他们观察发现,在2.1万光年之外,有一颗死亡的致密恒星,即中子星,以每秒17次的频率向地球发射射频脉冲信号。这颗中子星就是一个巨大的磁体。它将射频脉冲信号变成细细的束流,在自旋的同时,像灯塔一样将这些射频信号发射出去。也就是说,这是一颗脉冲星。通过精细测算脉冲信号的频率变化,赫尔斯和泰勒推断这颗脉冲星正在绕另一颗不那么显眼的中子星运转,轨道周期为7.75个小时。接下来,他们通过观察发现脉冲星的轨道正在发生微弱的衰变,运转一周所需时间每年会减少76.5微秒。他们做出推断,轨道衰变肯定是由能量损失造成的。
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能量损失是爱因斯坦相对论的预测结果之一。沿轨道运行的中子星拖拽着周围的弯曲时空一起运动,同时将能量传递到时空的涟漪中。简言之,损失的能量被引力波(也就是时空的“声音”)传递出去了。在这次幸运的观察活动中,理论与实验实现了完美的结合。
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大约3亿年后,这个双星系统将会因为被引力波带走足够多的能量而发生碰撞。如果到那时人类仍然存在,并且还在利用地面天文台观察宇宙(我们有足够的理由认为,这样的设想非常荒谬,真的出现这一幕的可能性非常小),那么从理论上讲,这个双星系统在最后几个小时里发生的情况就会被某个类似于LIGO的天文台探测到。但在最后的时刻到来之前,这个双星系统产生的引力波都非常微弱,在地球上无法探测到。我们对成功地探测到赫尔斯–泰勒中子星不抱任何奢望,而是会努力搜寻正在发生碰撞的中子星和黑洞组合。在它们共同存在的最后几分钟时间里,碰撞发出的声音足够响亮,以至于我们可以在与其相隔数亿光年甚至更远距离的地球上,通过机器捕捉到这些声音。我们可以观察到银河系内的中子星,但是,如果相距数百万光年,这些中子星看上去必然会非常暗淡,不可能被观察到。与之相比,赫尔斯–泰勒中子星与我们的距离仅为2.1万光年,并且处在银河系内。在大多数致密星体发生碰撞之前,天文学家无法用望远镜拍摄它们的照片。所以,我们只能先捕捉它们发出的声音。
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我们不能宣称,通过直接观察,我们发现赫尔斯–泰勒脉冲星产生的引力波携带了能量。我们只能说,通过直接推演,我们认为引力波肯定携带了能量,只有这样,脉冲星轨道正在逐渐衰变的预测结果才能得到完美的解释。这个推演结果很有可能是正确的,可信度非常高!
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[1]1英尺≈0.3米。——编者注
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引力波:发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 第9章 实验室里的开拓者
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Weber and Trimble
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就在约瑟夫·韦伯形单影只地躲在树丛中,守着他的那些准备移交的设施时,LIGO项目组从美国国家科学基金会获得了数额不小的支持资金。就在韦伯亲手维护他的韦伯棒时,加州理工学院和麻省理工学院携手建造出必需的设备,并且制定了长期战略。在韦伯收集第20年的实验数据,准备为自己备受嘲讽的研究成果进行辩解的时候,各大报刊纷纷在显眼位置报道一个金属机箱,并且评价它即将打开实验科学的新纪元,而韦伯却无缘参与其中。
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基普是在20世纪60年代中叶结识约瑟夫·韦伯的,当时韦伯还没有宣布他的那项备受争议的研究成果。约翰·惠勒对韦伯很感兴趣,这也是基普找到韦伯的原因。那时候,韦伯的脾气还不是那么暴躁。他们经常一起前往阿尔卑斯山脉做徒步旅行。从某种意义上讲,他们俩是好朋友。
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我问基普:“韦伯喜欢与人争论吗?”
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基普笑了:“不,因为没有人与他争论。”
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“我感觉他有猜忌心。”我说。
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基普点点头,“是的,他的猜忌心很重。这是一个比较麻烦的问题。”
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我说:“有时候纯粹是乱猜疑,有时候是真的存在问题,都搅在一起了。”
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基普表示同意:“是啊,都搅在一起了。不过,这也是人之常情。”
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1982年,他们俩在韦伯的办公室有过一番对话,基普还做了记录。此时,韦伯应该已经知道加州理工学院正准备研究一项名叫激光干涉仪的新技术,而且他将再次被排除在外。基普说道:“最令人遗憾的是,韦伯的研究备受尊重,但是他本人似乎从来没有意识到这一点。”
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我打开加州理工学院的档案材料,倾听基普与约瑟夫·韦伯的那次谈话录音。这些材料被收存在一栋设计风格过于自信的建筑之中。地下室的大部分空间都被各个实验室占据了,以致档案室显得格格不入。除了磁带录音机的“咔嗒”启动声,屋子里一片寂静。我推测,录音是在马里兰大学的韦伯的办公室录制的。据一些剪报的描述,这间办公室就像堆满废旧纸张的仓库。我可以想象出韦伯办公室的样子:杂乱无章的布置,普通的金属文件柜,胡乱堆放的纸张。我竖起耳朵听韦伯说了些什么,我不确定他当时是不是在房间里踱着步。韦伯说,谈话当天,也就是1982年7月20日,是他一个哥哥的生日,韦伯有三个哥哥。就这样,这种老套的开场白为他们的对话拉开了帷幕。
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韦伯介绍了自己的职业生涯。他就像一名受到犯罪指控的无辜者,正在重复那一套讲过无数遍以致烂熟于心的说辞。偶尔他会停下来,对导致自己身处困境的原因做一番解释。他还把这些年来收集的证据一股脑儿地说给基普听,仿佛在为自己进行辩护,尽管基普并没有参与这些指控。在接近一个小时的对话过程中,韦伯不停地核实日期,引述报告和出版物的内容,详细说明技术细节,为自己的实验结果提供证据。其间,因为需要在办公室里找文件,录音还暂停了几次。
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面对这个在职业生涯中备受争议的人物,基普小心翼翼地说道:“你曾经说过,你之所以从事引力波研究,原因之一在于你认为这个领域不会引发争议……”或许是受到这个话题的刺激,韦伯的失望之情瞬间消失,取而代之的是一股喷薄而出的怨气。在失望时,韦伯看上去十分沮丧。但是,一旦受到挑战,韦伯的斗志就会被激发起来。
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韦伯说道:“1981年5月15日,《科学》杂志用了整整一个版面来谴责我,还说加尔文是远胜于我的科研人员。加尔文的确完成了一些非常重要的引力辐射研究,也彻底推翻了我的研究成果……但问题是,我现在从事的物理学研究是我有生以来最重要的物理学研究……我没有四处宣扬,最主要的原因是不希望受到辱骂……事实上,我是想引诱这群贪婪的家伙,丢一块肉给他们,让他们无所留恋地去从事其他领域的研究。结果……结果……太令人生气了。当然,我的健康没有受到影响,但是事态的发展真让我感到遗憾。我的家人受到了伤害,这太不公平了。”
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韦伯拿着那篇文章找到了一名家庭律师。律师建议他诉诸法律手段,并且说他可以得到1 000万美元的赔偿,但他需要花至少5年的时间来打这场官司。在法庭上花费这么多的时间,这是韦伯无法接受的。他说:“这是生活态度问题。”
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