愛因斯坦錯(cuò)了？人類重大發(fā)現(xiàn)引力波信號(hào)存疑

一個(gè)世紀(jì)前，愛因斯坦曾預(yù)言過“時(shí)空中的漣漪”、即引力波的存在。而在科學(xué)家聲稱第三次探測(cè)到引力波之后，科學(xué)界出現(xiàn)了一些爭(zhēng)議。

科學(xué)家去年首次探測(cè)到了時(shí)空的抖動(dòng)現(xiàn)象，這被譽(yù)為“本世紀(jì)最重大的科學(xué)突破”。自此之后，研究人員又探測(cè)到了兩次引力波。但在本年二月發(fā)布數(shù)據(jù)之后，其他研究人員對(duì)這些探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)審查，并稱他們?cè)谛盘?hào)中發(fā)現(xiàn)了意想不到的噪聲，“這些相關(guān)性很奇怪，不應(yīng)該出現(xiàn)在這里。”

該研究團(tuán)隊(duì)由哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所物理學(xué)家安德魯·杰克遜領(lǐng)導(dǎo)。他們于本月初發(fā)表了研究結(jié)果。激光干涉引力波天文臺(tái)(簡(jiǎn)稱LIGO)的科學(xué)家們對(duì)兩道光束的干涉結(jié)果進(jìn)行了測(cè)量，從而探測(cè)到了時(shí)空受到的擾動(dòng)。引力波極其微弱，因此LIGO天文臺(tái)的探測(cè)精度極高，即使目標(biāo)的移動(dòng)距離只有質(zhì)子直徑的一萬分之一，也能被檢測(cè)出來。

為保證結(jié)果的精確性，LIGO天文臺(tái)分為兩處，相距3000公里。它們同步運(yùn)作，對(duì)彼此的觀測(cè)結(jié)果提供雙重檢驗(yàn)。

兩臺(tái)探測(cè)器監(jiān)測(cè)到的噪聲理應(yīng)完全不相關(guān)，即使一臺(tái)探測(cè)器附近發(fā)生了風(fēng)暴，也不會(huì)在另一臺(tái)探測(cè)器中以噪聲的形式體現(xiàn)出來。該團(tuán)隊(duì)探測(cè)到的部分“噪聲”源包括：“光子如雨滴般打在光線探測(cè)器上發(fā)出的‘嘶嘶聲’;地震和海水沖擊地殼產(chǎn)生的隆隆聲;以及強(qiáng)風(fēng)晃動(dòng)建筑物時(shí)發(fā)出的聲音。”如果發(fā)現(xiàn)了引力波，它應(yīng)當(dāng)差不多同時(shí)在兩臺(tái)儀器中產(chǎn)生相似的信號(hào)。

而杰克森的團(tuán)隊(duì)指出，在探測(cè)到引力波信號(hào)的同時(shí)，兩臺(tái)探測(cè)器中似乎產(chǎn)生了相關(guān)噪聲。“我們關(guān)注的主要是人類探測(cè)到的首個(gè)引力波信號(hào)，即GW150914。我們尤其留意了信號(hào)到達(dá)位于漢福德和利文斯頓兩處探測(cè)器之間的時(shí)間間隔。”該團(tuán)隊(duì)表示。“在我們看來，要想確定這一信號(hào)的確是天體物理學(xué)事件的產(chǎn)物、而不是碰巧相關(guān)，LIGO天文臺(tái)兩臺(tái)探測(cè)器的‘剩余’時(shí)間記錄之間應(yīng)當(dāng)不存在相關(guān)性才對(duì)。

而我們的調(diào)查顯示，兩者恰恰呈強(qiáng)相關(guān)。我們希望別的研究人員能夠重復(fù)我們的計(jì)算過程，提出自己的見解。在物理學(xué)中，‘盲目相信’顯然不能取代‘充分理解’。”這一無法解釋的相關(guān)性可能產(chǎn)生諸多后果，小到修改從信號(hào)中提取的引力波，大到否定整個(gè)‘聲稱發(fā)現(xiàn)了引力波’的言論。

LIGO天文臺(tái)發(fā)言人稱，探測(cè)結(jié)果中也許的確存在無法解釋的相關(guān)性，但應(yīng)該不會(huì)影響已有結(jié)論。馬克斯·普朗克引力物理學(xué)研究所的研究人員、LIGO天文臺(tái)科學(xué)合作會(huì)成員伊恩·哈利公開駁斥道，該研究團(tuán)隊(duì)無法重復(fù)計(jì)算出他們聲稱存在的相關(guān)性，因此他們的結(jié)論可能是由代碼錯(cuò)誤所致。

但兩支團(tuán)隊(duì)都不肯承認(rèn)自己錯(cuò)了。據(jù)悉，LIGO團(tuán)隊(duì)稱“我們?cè)蛯?duì)方進(jìn)行過深入交流，并不認(rèn)同他們的調(diào)查方法，更無法贊同其結(jié)論。”2017年1月4日，LIGO天文臺(tái)科學(xué)合作會(huì)(簡(jiǎn)稱LSC)第三次探測(cè)到引力波的存在。就像前兩次一樣，此次引力波是兩個(gè)黑洞相撞、合并時(shí)產(chǎn)生的。合并后形成的黑洞質(zhì)量約為太陽的49倍，剛好處于第一次的62倍和第二次的21倍中間。

“我們進(jìn)一步確認(rèn)了質(zhì)量超過太陽20倍的黑洞的存在。在LIGO探測(cè)到它們之前，我們從不知道宇宙中存在這樣的天體。”麻省理工學(xué)院科學(xué)家、LIGO科學(xué)合作會(huì)發(fā)言人戴維·舒梅克博士指出，“這些奇怪而極端的事件發(fā)生在數(shù)十億年之前、距我們足有數(shù)十億光年之遙，而人類竟能提出合理的解釋、并進(jìn)行驗(yàn)證，這真是非同凡響。LIGO和VIRGO(室女引力波探測(cè)器)科學(xué)聯(lián)合會(huì)做出了巨大貢獻(xiàn)。”

LIGO天文臺(tái)探測(cè)到的三次引力波均由能量巨大的黑洞合并所產(chǎn)生。黑洞相撞時(shí)，產(chǎn)生的能量可超過宇宙中所有恒星和星系輻射出的能量總和。

最近探測(cè)到的一次引力波似乎離我們最遠(yuǎn)，黑洞距我們約30億光年?？茖W(xué)家稱引力波為我們打開了一扇“新大門”，讓我們更好的觀察宇宙、并獲取與黑洞和中子星等神秘天體相關(guān)的知識(shí)。對(duì)這些天文現(xiàn)象的了解將有助于我們弄清宇宙的起源。

“此次發(fā)現(xiàn)使我們以全新的方式深入時(shí)空，這在發(fā)現(xiàn)引力波之前是無法做到的。”美國國家科學(xué)基金會(huì)主管弗朗斯·科爾多瓦(France Córdova)指出，“這一次，我們將目光投向了30億光年之外。LIGO天文臺(tái)將繼續(xù)做出偉大的發(fā)現(xiàn)，從實(shí)驗(yàn)逐漸過渡到真正的引力波天文臺(tái)。

更重要的是，每次探測(cè)結(jié)果不僅僅讓我們目睹了奇景。通過收集數(shù)據(jù)，我們逐步了解了這些天體的起源和特性，從而更好地理解宇宙。我們知道，這僅僅是開始而已。這扇‘宇宙之窗’將不斷擴(kuò)大。成百上千的研究人員從世界各處匯集于此，為LIGO天文臺(tái)做出自己的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步了解黑洞合并、中子星和其它天文現(xiàn)象。對(duì)此，我們拭目以待。”

當(dāng)一對(duì)黑洞圍繞彼此旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們還會(huì)按照自身的軸線旋轉(zhuǎn)，就像兩名花樣滑冰選手。有時(shí)，當(dāng)一對(duì)黑洞在軌道上移動(dòng)時(shí)，會(huì)朝著同一軌道方向旋轉(zhuǎn)，名為“校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)”;有時(shí)，它們則會(huì)朝相反方向旋轉(zhuǎn)。此外，黑洞還會(huì)傾斜、偏離原有的軌道平面。

LIGO天文臺(tái)的最新數(shù)據(jù)顯示，至少有一個(gè)黑洞與整體的軌道運(yùn)動(dòng)情況不一致。要確定雙黑洞系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方式，LIGO還需進(jìn)行進(jìn)一步觀察。但從這些早期數(shù)據(jù)中，可總結(jié)出雙黑洞系統(tǒng)可能的形成方式。

“這是我們首次獲得黑洞運(yùn)動(dòng)情況不一致的證據(jù)，給了我們一點(diǎn)暗示，讓我們猜測(cè)雙黑洞系統(tǒng)在密集的恒星團(tuán)中是如何形成的。”英國卡迪夫大學(xué)的班加羅爾·薩西亞普拉卡什指出。

有兩種理論或能解釋雙黑洞系統(tǒng)的由來。第一個(gè)模型提出，兩個(gè)黑洞是同時(shí)誕生的。雙星系統(tǒng)的兩顆恒星爆炸時(shí)，分別生成了黑洞;由于原本的恒星旋轉(zhuǎn)方向一致，產(chǎn)生的黑洞也可能保持一致。

第二個(gè)模型認(rèn)為，兩個(gè)黑洞在恒星團(tuán)中先后誕生。當(dāng)它們抵達(dá)恒星團(tuán)中央后，便結(jié)合形成了雙黑洞系統(tǒng)。在這種情況下，黑洞可朝著相對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)的任何方向旋轉(zhuǎn)。

在LIGO天文臺(tái)收集的證據(jù)中，指向此次新發(fā)現(xiàn)的黑洞旋轉(zhuǎn)方向不一致的證據(jù)更多，因此第二種理論更占上風(fēng)。“我們真的開始收集雙黑洞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)了。”LIGO漢福德天文臺(tái)的凱塔·卡瓦比說道，“這很有意思，因?yàn)樵谶^去幾年間、甚至現(xiàn)在，有一些解釋雙黑洞系統(tǒng)形成過程的模型比其它模型更受推崇。而今后我們將進(jìn)一步縮小合理的模型范圍。”

此次研究又一次對(duì)愛因斯坦的理論發(fā)起了檢驗(yàn)。例如，研究人員試圖尋找一種名為色散的現(xiàn)象。當(dāng)光波穿過玻璃等物理媒介時(shí)，由于波長不同、傳遞速度也不同，從而被分離開來，形成彩虹。愛因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為，在引力波從波源出發(fā)、傳播至地球的過程中，不會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象。LIGO天文臺(tái)的確沒有找到相關(guān)證據(jù)。

“愛因斯坦好像說對(duì)了。即使此次最新探測(cè)到的波源距離長達(dá)第一次探測(cè)到的兩倍，他的預(yù)言依然成立。”佐治亞理工學(xué)院的勞拉·卡多納提指出，“我們的觀測(cè)結(jié)果與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)一致。而此次黑洞距我們?nèi)绱诉b遠(yuǎn)，更加強(qiáng)了我們的底氣。”

該團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)分析LIGO收集的數(shù)據(jù)，尋找更遠(yuǎn)處出現(xiàn)時(shí)空波動(dòng)的跡象。他們還將參與LIGO天文臺(tái)2018年末開始的技術(shù)升級(jí)，屆時(shí)該探測(cè)器的敏感度將進(jìn)一步提高。研究人員在一次媒體見面會(huì)上表達(dá)了用LIGO探測(cè)中子星的野心。

中子星是巨型恒星遭遇超新星爆炸后、內(nèi)核坍塌的產(chǎn)物，在此過程中，質(zhì)子和電子相互融合、形成了中子。研究人員希望，提高LIGO設(shè)備的敏感度將幫助他們確定中子星的位置。他們指出，如果對(duì)中子星的形成過程了解不夠，就難以做出重大發(fā)現(xiàn)。

“在第三次確認(rèn)發(fā)現(xiàn)由黑洞相撞產(chǎn)生的引力波之后，LIGO天文臺(tái)向世人證明，它的性能卓越無比，可帶領(lǐng)我們了解宇宙的陰暗面。”LIGO實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主管、加州理工大學(xué)的戴維·雷茨指出，“雖然LIGO經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)、適于觀察此類天文事件，但我們希望不日便能觀察到其它的天體物理學(xué)事件，如兩顆中子星相撞等。”