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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” [:1700935340]
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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1章 黑洞碰撞
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When Black Holes Collide
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在宇宙的某个地方，两个黑洞发生了碰撞。这两个黑洞与恒星的质量差不多，体积却只有一般城市那么大，是真正意义上的黑洞（里面空荡荡的，没有一丝光）。在碰撞发生前的最后几秒钟里，它们在引力作用下一起绕着最终接触点完成了数千次的旋转，使时空发生了剧烈振荡。碰撞之后，这两个黑洞合并到一起，形成了一个更大的黑洞。黑洞碰撞是宇宙诞生之后威力最大的一个现象，释放出的能量超过1021个太阳。碰撞发生时一片黑暗，爆炸产生的所有能量都不会以光的形式逸出，所以用任何望远镜都无法观察到。
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黑洞合并时，无数能量以纯引力，也就是引力波的形式，不停地向四周传播，时空受到扰动而泛起涟漪。但是，即使有宇航员正好在附近，他也不会看见任何异常现象。不过，他所在的空间会发生铃振现象，对他挤压、拉伸，使他的身形发生变化。如果靠得足够近，他的听觉器官会随之振动，也就是说，他可以“听见”引力波。在空无一物的黑暗中，他可以听见时空发出的声音（如果黑洞没有夺走他的生命）。引力波就像不需要物质媒介的声音，在黑洞相互碰撞时，就会发出这样的声音。
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没有人听过引力波的声音，也没有任何仪器留下清楚无误的记录。虽然引力波以光速传播，但是从碰撞点传播到地球可能需要10亿年的时间。在到达地球之前，黑洞碰撞发出的声音已经非常微弱了，以至于用语言根本无法形容，如此微弱的声音我们肯定难以察觉。在引力波抵达地球时，空间的鸣响会引起距离的相对变化，在相当于三个地球并排的跨度上位移一个原子核的宽度。
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半个世纪之前，一股记录天空中各种声音的潮流悄然兴起。LIGO是美国国家科学基金会（NSF，为基础性科学研究提供支持的美国联邦政府独立机构）迄今为止投入最多的项目，包括两台探测器，分别位于华盛顿州汉福德和刘易斯安那州利文斯顿，各占地4平方公里。LIGO的综合成本超过10亿美元，参与合作的全球科学家和工程师有数百人之多，是所在专业领域几十年来科技创新工作的一个标志性成果。
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在过去几年里，为了提升探测能力，这两台机器都处于脱机状态。一名实验人员告诉我，机器的所有部件都被更换了，除了那个空空如也的管道（真空管）。与此同时，世界各地的科研团队都在进行紧张的计算，希望可以预测宇宙最喧闹的状态何时到来。理论学家则利用这段时间设计数据算法，创建数据库，并想尽办法充分利用这些工具。为了“在相当于地球周长1 000亿倍的距离范围内测量出比人的头发的直径还要小的变化”，许多科研人员全身心地投入其中。
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如果探测到引力波，人们有望在随后几年里取得丰硕的成果，因此位于地球上的天文台渴望记录天文巨变从不同方向、不同距离传到地球上的声音。死星发生碰撞，古老的恒星发生爆炸，还有曾经发生的宇宙大爆炸，所有这些高冲击强度的混乱状况都有可能引起时空振荡。从伽利略用一架简陋的望远镜观察太阳开始，人类把400年来拍摄的一系列静止的天空照片，汇编成一部讲述宇宙历史的无声电影。在这些天文台投入使用期间，科学家们将为这部电影配上一首不是很悦耳却非常热闹的主题曲。
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在这个尝试测量时空形态微弱变化的具有里程碑意义的实验中，我身兼数职：首先是作为一名科研人员，希望为一个庞大的科学领域做出自己的贡献；其次是作为一名初学者，希望深入了解干涉仪；最后是作为一名作者，用手中的笔记录人类在黑洞研究活动中取得的重大进展。随着全球范围内争相建造引力波天文台的热度逐渐消减，这个领域即将有重大发现的前景牢牢地吸引了人们的注意力。不过，仍然有人强烈怀疑它最终能否取得成功。
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尽管在开始的时候，LIGO项目面临诸多困难：争议不断，权威科学家表示反对，团队内部斗争十分激烈，技术上也一筹莫展。但是，LIGO项目没有被击垮，而是摆脱了阴影，不断变强，走上了发展的道路。50年前，使用一个无比庞大的机器去捕捉极其微弱的声音，还仅仅是人们的一个遥远的梦想，而现在已经万事俱备，只欠东风了。在20世纪60年代，这个灵光乍现而来的思想实验仿佛一首令人莞尔的俳句诗，而现在它已经变成由金属和玻璃制成的实物。2015年秋，在爱因斯坦提出引力波预言的100周年之际，改进后的LIGO探测器开始记录太空传来的声音。在一两年（也有可能是三年）之内，这些机器就会达到最灵敏的状态。上一代的机器证明这个概念是可行的，但成功却不是唾手可得的，因为大自然并不总是按人类的意愿行事。这些高精尖的机器可以自动锁定目标，也可以由人来完成调整、修正、校准等操作。如今，这些机器静静地等待着捕捉某个非同寻常的信号，科学家们也摒除疑念，坚持完成最后的工作。
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本书既是一部引力波编年史（是宇宙历史的有声记录，也是为那部无声电影谱写的主题曲），又是献给那些矢志不渝、坚持不懈的实验人员，以及愚公移山式科学精神的一首赞歌。
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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2章 宇宙的声音
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High Fidelity
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下午6点，我站在麻省理工学院的一栋建筑前面，等人来为我开门。作为一个机构的总部，这栋大楼显得非常安静。这时候，一名研究生骑着自行车过来了。她跳下车，搬着自行车爬了几级台阶，然后打开门锁。等我走进去之后，她指着自己身后的大厅告诉我：“雷纳的办公室就在那儿。”接着，她一只脚踏上脚蹬，熘着自行车朝前滑行。之后，她再一次跳下车，进入一间装有灰白色门的办公室。雷纳办公室的门与那扇门一模一样。我不禁想，人们住宾馆时经常走错房间，雷纳他们会不会走错办公室啊？
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雷纳·韦斯向我挥挥手，邀请我进入他的办公室。尽管我们是第一次见面，但从事科学研究的相同经历是一种强效黏合剂，拉近彼此距离的效果甚至好过同乡、同龄人。我们靠着两把与房间风格不搭调的椅子的椅背，脚放在同一个凳子上。交谈时，我们直接略过俗套的寒暄进入主题，气氛十分友好，就像相识多年的朋友。
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“我的人生道路始于一个梦想：我希望可以轻轻松松地听音乐。大概是1947年，社会上掀起了高保真音响的流行浪潮。虽然我当时还是一个孩子，但我制造出第一代高保真音响。生活在纽约市的移民大多喜欢听古典音乐。
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“看到那边的扬声器了吗？那是我从布鲁克林的一家电影院淘来的。电影银幕后面放着一堆这样的扬声器，我弄到了20个，然后拖拽着它们上了地铁。当时，布鲁克林派拉蒙电影院刚刚经历了一场火灾，所以电影院淘汰了这些扬声器。就这样，我拥有了电影工作室的专业扬声器。我设计的电路也非常棒。此外，我还弄到了一台调频收音机。之后，我经常邀请朋友来我家听纽约交响乐团的演奏。那种感觉简直无法想象，我们就像坐在剧院里。从扬声器里传出来的音乐简直太美妙了！”
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雷纳示意我观看扬声器内部的圆锥形金属结构。扬声器的外壳做工粗糙，显得极其笨重，在现代设计中早已被摒弃。但是，除此之外，这个在1935年前后生产的扬声器并不像一件年代久远的产品。从技术上看，它不像20世纪30年代的必需品，而更像20世纪70年代放纵生活的产物。他的办公室里还堆放着从其他设备上拆卸下来的金属外壳，因此扬声器并不是那么显眼。科学家们正围着这堆设备忙个不停，摆弄着一台基于20世纪60年代思想实验制造的引力波探测器。当时，雷纳希望制造一个装置，用来记录时空振荡发出的声音。后来，他才发现他并不是第一个产生这种想法的人。这个实验堪称科学界远大理想的一个典范，它的影响力已经超出了这栋大楼，甚至超出了马萨诸塞州剑桥市的范围。为这套装置研发零部件的实验室坐落在隔壁大楼的地下室里，但是全套设备的组装却被安排在其他地方进行。
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2005年，雷纳放弃了麻省理工学院物理学教授这个令人尊敬的职位，一心一意地待在4 000米长的混凝土管道里，为激光真空管接装示波器，检查18 000立方米的真空管是否有渗漏，测量潮湿阴冷、黄蜂成群的密闭空间中发生的地震振动。雷纳选择退休的主要目的是重十学生身份，但是，由于被授予了荣誉退休教授的重要头衔，他开始了令人羡慕的“退而不休”的生活。
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雷纳在说话时会强化重音，这是一代纽约人的特点。他标准的美国口音中混杂了些许欧洲口音，偶尔还有德国人那种抑扬顿挫的语调。这些特点融合在一起，给我一种熟悉的感觉，不仅让我想到了他的出生地，还让我想到了他出生的那个时代。1932年，雷纳出生于德国柏林，他的父亲弗雷德里克·韦斯来自一个富裕的犹太家庭（雷纳的祖母出身于显赫的拉特瑙家族。雷纳的性格特点“非常像德国人，还有点儿像犹太人”），具有叛逆精神。雷纳的母亲格特鲁德·罗斯纳不是犹太人，据雷纳介绍，她同样具有叛逆精神。“不知道是怎么一回事，他们俩走到了一起。”雷纳的语气似乎是在暗示，其中有我们永远无法了解的秘密。后来，他揭开了这个秘密：“然后，我就来到了这个世界。但是，他们那时候还没结婚呢。”