1、LSC：全世界最早看到引力波的那伙人引力波恰开启了全新的方法，让宇宙变成了个“有声屏幕” 。LIGO探测到的波段频率落在了人类听觉范畴内的频段上，经过声音处理，可以听见如纸盖滑过琴键的滑音：双中子星合并听上去像短笛；旋转脉冲星像“叮”的敲打三角铁的一声；而黑洞随着质量的不同，会像不同调性的弦乐。 2 月 11日下午 4点，位于德国汉诺威的马克斯普朗克引力物理研究所（AEI）的众多研究者来到了屏息的一刻，刚入而立之年的中国浙江籍博士生明镜来到新闻发布会场，发现已经没有空位，但他还是进去找了个角落，对他来说，这个即将开始的仪式可谓是人类文明的分水岭。 此时的华盛顿是一个平常的上午 10点半，视频信
2、号传送到了作为欧洲四个分会场之一的 AEI，熟悉的 LSC合作组执行主任戴维?莱兹（David Reitze）出现在投影仪上，说出“yes，we did it”，那刻，坐在主席台上的所长卡森?丹兹曼（Karsten danzmann） ，这位千年难得穿了一回西装的德国人，虽然跷着二郎腿，但还是红了眼眶。明镜迅速扫视全场，很多人都流泪了，后来，他也几度咽回眼泪。 当 4个小时后，全球直播的发布会结束，明镜来到一群同僚中问他们“你哭了没有” ，其实自己心里已经哭了好几次了，以至于他回到家门口时，开锁的手都在颤抖，而终于在冲进屋子之后号啕大哭了一场。其实按去年 9月 15日发现信号到当日，倏忽近半年
3、，激动之情应早已减退，但这些在多数地球人不知的学术“黑洞”里筚路蓝缕地做着引力物理研究的学者，却不约而同地处在一种复杂而起伏的感动里。 “最根本的感觉可能已不是人类的跨时代发现那样的物理学上的意义，而是一种哲学意义，比如说我知道人是怎么从 1.0版本进入 2.0版本的了，虽然我不知道以后的 2.0到 3.0怎么划分，但我们在这个节点上，经历了这个事情，是多么幸运。 ”他这么描述。 看见?第一个人 1915 年的一天，爱因斯坦向普鲁士科学院报告了他的广义相对论的最终形式，其中一个新的公式让他在一年里又推导出一种携带着能量的“引力辐射项” ，这在后来被世人叫作引力波。但那时尚未可知这是个物理实在还
4、是数学形式，一番争论后在 1936年，爱因斯坦再次向美国物理学会投了篇论文，他承认引力波是种数学形式， “这种波会因为引力坍缩而不复存在” 。 引力波被认为是广义相对论预言的历史却一波三折地拉扯到 20世纪中叶。几年后，爱因斯坦重新写信说要“修改错误” ，他认为引力波是存在的，但不能被探测到。在那个尚未有任何探测器材而只能靠观测队在地球某岛看日全食的年代，这种循环不算奇怪，就像他至死都在怀疑黑洞的存在一样。但广义相对论一直在成长，通过它，人们知道了时空的弯曲以及一些由时空弯曲产生的奇异事物，如黑洞、引力波、奇点、虫洞等。 恰在理论被提出的 100年后的 9月 15日，德国时间 11点 50分，
5、意大利籍博士后马尔科?德拉戈（Marco Drago）在 AEI的办公室里修改着论文，那时一股宇宙深处的引力波到达地球，在位于美国华盛顿和列文斯顿的两个 LIGO探测器上产生了 410-18米的空间畸变。3 分钟后，这个触发事件被低延迟搜索方法作为引力波候选事件（candidate）汇报了出来，通过邮件发到了他这里。 德拉戈惯性地打开邮件是在半小时后了，如果无恙，那就该到了饭点，那些 LSC的“技术猿”会在 12点半出现在餐厅。他作为 LIGO科学合作组织（LSC）千余成员之一，同时也是系统管理者，边看着原始数据，边注意着探测器的突发事件。当他看见一条如被压缩过的曲线出现在屏幕上时，觉出了不对
6、劲。 “虽然探测器常有突发事件，我也习惯了，但这个信号清楚告诉我它不寻常。 ”他这样回复本刊记者，此话他可能已对全世界媒体重复过无数遍。 “当你看到它的频率和时间的比对时，很清楚它来自两个致密天体互相内旋而合并，声波学上就是唧唧声，除了 5年前的人为假注，后来再也没见过这样的波形。 ”所以他的第一反应，这仍然是个假注，即人为注入假信号，LSC 内部有个不具名的“盲注小组” ，会经常在原始数据中注入假信号，目的是检验信号分析者是否能把它筛选出来，也算实战演练。2010 年一桩学术丑闻“大犬事件”让 LSC跌份儿不少，他们近乎要向世人公布发现引力波的时候，有人跳出来说那是假注。 当德拉戈跑到楼下告
7、诉同事安德鲁?伦德格伦（Andrew Lundgren）的时候，他还没意识到自己是世上首位看到引力波的人。他问：“你知不知道最近有没有假注？”是的，在排除掉系统突发事件后，剩下的疑问仅是美国那边有没有进行过假注。按照纽约客报道，当美国时间来到 9月 15日的清晨，在加州，戴维?莱兹送走女儿去学校，来到加州理工学院的办公室，立即就被各种消息淹没。而已 83岁高龄的物理学家雷纳?韦斯（Rainer Weiss） ，也是 1972年 LIGO项目的提出者正在度假，他登录到系统上时也大叫了一声。 熬过了 4个小时的伦德格伦向晨曦中苏醒的利文斯顿 LIGO总部打电话，得到的答复是正在升级中的 LIGO探
8、测器 4天后就正式开始运行了，没有必要在这个时候加入假信号。这时，德拉戈开始发抖。直到第二天早上，AEI 开始进入“备战” ，所长布鲁斯?艾伦（Bruce Allen） “劫持”了某个 LSC分组会议，将所有所内的成员都慎重地叫到会议室，门把一反锁，投影仪上出现了那个弯刀划过夜空般的图案。 它的物理意义就是，频率随着时间增强，在 200多赫兹后强度最大，根据广义相对论推导， “这是一个典型的双星并合的信号” 。明镜说。他的第一反应也如在场多数置喙中的同事一样，认为那是个假信号，但那么漂亮和完美，只能说假注人天赋异禀又城府颇深，叫人看不出人工痕迹。 验证?保密 明镜回到办公室就开始跟 LSC里的
9、中国同事讨论此事，他们分布在欧洲、澳大利亚和美国的各大学里，已经通过内部群发邮件知道了这一消息，这时，百千人的邮件系统里已经炸开了，各个订阅小组里，不同背景、国籍、研究门类的成员彻底打破界限。 LSC 分工很细，有人设计、建造、调试实验装置，实验装置又分光学、机械和电控系统等。也有人分析数据，里边分四大类分析方向，人数最多的是致密双星并合（compact binary coalescence）的引力波源，第二是持续性引力波（continuous wave） ，还有超新星引力波爆源，和宇宙随机背景组。 在一片内部秘而不宣的诧异和狂喜交织中，没有人站出来承认假注过，他们开始信守起一个秘密，在被证实
10、是新信号之前，不能向外透露风声。明镜一直在说服自己那是真的。 “如果我认为是假的，事后被证明是真的，那我就不算是全世界前 100个知道这件事的人。 ”他这样说。 在另一片地广人稀的西澳土地上，也竖着最早发明的探测仪共振棒NIOBE的耳朵。澳大利亚西澳大学物理系的助理教授王?在那里专门研究致密双星并合探测分析法，属于 LIGO人数最多的 CBC组的一员，双黑洞合并的引力波源也在该组的计算范畴，但不是 CBC程序最早发现的。 “最先测到信号的是引力波爆组，而后续过程中关于太阳质量等参数的估计是 CBC程序的计算结果。 ”他说。实时 CBC程序灵敏度高，计算量也更大。由于计算资源有限，最初在线上实时
11、处理程序中是没加高质量部分。线下 CBC程序经过海量数据分析后，结论是引力波来自两个质量分别为太阳质量的 36倍和 29倍的黑洞，它们以近 100赫兹频率高速旋转后并合释放了 3个太阳质量的引力波能量。 “专门分析双致密星并合的程序分为线上的实时程序和线下的分析程序。线下的分析程序是分析从 1到 100个太阳质量的致密天体。线上的程序由于有计算资源的限制，最初是偏重算低质量的天体。 ”但这次信号的完美程度超过他们的最先预期。在去年 LIGO升级完成前，初级 LIGO运行了 13年，各种远强于引力波信号的噪声让这些科学家整日沉浸在数据王国里大海捞针。 把引力波的发现比作一道光也不夸张，之前他们一
12、代代在黑暗里摸索，都是自己模拟数据，设计分析方法，用方法来测模拟数据再改进，就像学游泳的人永远在岸上挥摆四肢，不知下水的滋味。成本之高也出人意料，有些数据处理程序运行一次就得耗百万美元。 LIGO 分工程运行和科学运行两种切换模式，数据都会被实时记录后传到数据中心。前者主要用于调试仪器，校正数据处理方法，所以数据中会有假注，而后者主要观测来自太空的引力波，数据中不会加入信号。他们很难说新 LIGO在正式运行前 4天处于什么状态， “但只要是在运行的，就有数据采集” 。随着时间的推移，仍旧没有人声称假注，在反复计算和邮件讨论后，他们愈益相信这就是真信号。 那个 LSC邮件系统犹如无国界的狂欢，但
13、是每个挂在四大组下的林林总总的分析群都仍然审慎而行，哪怕是一个人提出异议，都将引起全员关注。把空间位置、质量、距离、各种物理参数都揉捏到那个分析模型后，愈加直观感到与爱因斯坦的理论契合度如此之高。 “空间定位的结果跟预期也非常吻合。 ”王?说，那个蓝色背景下弧形弯刀就代表在天空中的位置。它就像人们带着水雾的眼睛，看灯泡，那就是很大一团，而不是一个点。这个物理学上的“误差椭圆”就把那个灯泡锁定在那片圆形区里。也就在 7微秒的时间里，引力波通过了那两个 L形探测仪的激光干涉臂，通过振幅、相位信息，那个天空中的圆环被画了出来。 “太难找了，所以要利用全世界的资源，我们不分单位，只分类型地找。 ”在汉
14、诺威，明镜日思夜想，有时候走出实验室晚了，没有赶上末班地铁，走在空旷寒冷的街头，心里会冒出一股温暖的感动。遥想在 13亿光年前的两个黑洞的合并信号，在 9月 14日的一瞬间到达的地球，虽已渺如秋毫，但谁知道在浩瀚数亿光年外的宇宙还有多少不可预言的双星并合或超新星爆发，它们空寂中不经意擦过或碰撞，都那么偶然，以至于所长布鲁斯?艾伦关起门对自己的学生说道：“要想想，如果是真的，那多美妙，我们只消坐在办公室喝喝咖啡，时不时就能看到黑洞的合并。” “就像在天空中放了个烟花，谁都看见了。 ”明镜说，但它那么突然，如果没有灵敏的探测器，它可能就淹没在大海般的数据里不知要等多少年，除非有更好的分析法，但这次
15、它的信号显著性极其大，远超了“红线” 。这是宣布任何物理学发现的黄金标准，意味着这个探测结果只有三百五十万分之一的误差。 探测?LIGO 的诞生 爱因斯坦反复修改着自己的预言，让人评论说引力波好像是靠“思维的速度在传递” 。后世的人为了证明或证伪，在一次次探测的迭代更新中烧着钱和生命。从 1957年的一次“粘珠试验”证明引力波是种携带能量的物理实在，到 2002年初级 LIGO正式运行，其中的成本无可计数。2011年的一天，还是天文系硕士生的明镜在北京大学科维里天文与天体物理研究所听了一场伯纳德?舒茨（Bernard Schutz）的学术报告，这位引力波研究界权威说：“我们花了纳税人几十亿美元
16、来寻找引力波，有时候晚上我睡在自己的床上会想我为什么不是在监狱。 ”这句话把明镜推上了这条无尽的修远之路。 上世纪 90年代，一些大型激光干涉仪开始建造，引力波探测黄金时代开启，涌现了意大利比萨的臂长 3000米的 VIRGO，汉诺威臂长 600米的 GEO，日本东京国家天文台臂长 300米的 TAMA300去年 9月 18日，升级后灵敏度大幅提升的 LIGO开始运行，今年底，VIRGO 升级也将完成。LIGO 的原理遵循了爱因斯坦的假设，广义相对论里有言“时空告诉物质怎样运动，物质告诉时空怎样弯曲” 。如何弯曲就取决于宇宙中物质质量大小及其分布。简而言之，引力波是时空畸变，也被科普者称作“时
17、空中的涟漪” 。大质量的天体之于宇宙就像是皮球置于水面，底下呈凹形，当两个黑洞开始环绕跳舞，水面就自然产生涟漪。物质质量越大，运动的越剧烈，对这个时空的扰动就越大，引力波就越强。 但几十倍太阳质量所产生的引力波到达地球的物理效应却微乎其微。在强的天体波源所释放的引力波，其强度到达地球上的空间畸变不超过 10-14，刚好比质子大 10倍，此幅度相当于太阳到最近的比邻星 4.22光年的距离上，产生小于头发丝宽度的空间畸变。所以，落到 LIGO那根激光干涉臂，就需要在每公里的长度上找到相当于原子核半径万分之一以下的空间变化。 1972 年，当美国麻省理工的雷纳?韦斯脑中出现 LIGO设计雏形图的时候
18、，马里兰大学的工程学教授乔?韦伯（Joe Weber）已经“身先士卒” ，后者在早十几年前设计出的共振棒没有给业界带来好印象，总是出错而被落得骗子的骂名。韦斯想把探测器做成 L形，当引力波通过，会在一个方向上拉伸空间，另一个方向压缩空间。好比两个人垂直躺地上，身体呈 90度，引力波通过他们时，一个人会拉长，另一个人被缩短，下一时刻，情况相反。他知道，要丈量这两个波动的长度，非得要数公里长的钢筋水泥管之类。 韦斯建议用激光做尺子，在 L形状的拐弯处放置激光源，并用光在真空管中的通行距离变化作为变量，同束光产生的相位差距越大，表明引力波越强。这个想法得到了加州理工大学物理学权威基普?索恩（Kip
19、Thorne）的共鸣，1981 年，加州理工已开始建造一个 130英尺探测臂的LIGO模型。但要付诸现实就让人犯难了，那一小撮“头脑发热者”拿着区区一个理论模型去敲国家自然科学基金会（NSF）的门了，申请资助，有人立即反弹：“连信号的影子都没看见过。 ”项目集成的激光、材料、真空技术都远在真实科技水平之上，甚至还“需要用没被发明出来的材料” 。 两年前的某天，基普?索恩来到澳大利亚墨尔本大学讲坛，提到 LIGO制造难度，作为 LSC成员的中国籍物理学博士孙翎心潮澎湃。 “他们列出了非常详尽的分析报告，穷尽了仪器可能遇到的所有干扰和问题，并辅以解决问题，才拿到了钱。 ”按照索恩的话来讲，是“上万
20、个细节需要考虑完善” 。那时，LIGO 已在 2010年进入了升级期，在 8年探测未果后又被追投了 2亿美元，对于这些人来说，即使是测不到信号的“空演练” ，也丰富了大数据。 那两个 LIGO间的距离，飞行约 3个多小时，路易斯安那的那个位于首府巴吞鲁日东部的湿地，被松树林围绕；另一个在华盛顿州的则在一片核反应堆废料和沙漠灌丛边，每个干涉臂都有 4公里长。那天，来自南半球遥远星系的引力波先是到达利文斯顿探测器，大约 7毫秒之后到达汉福德，两者产生的时间差为波源估算出一个近 1000平方度的天空位置，而庞然大物最终测到的畸变尺度只是质子直径的千分之一大小。 “我们现在只能看到大概方位，就是那条弯
21、弯的像被压过的椭圆，但是就像通信卫星三角定位一样，全球布置越多精密探测器，越能更好定位。各个角度过来的偏正方向不一的波，探测到的希望越大。 ”孙翎说。显然，垂直臂因方向不一，信号到达强弱就有大小，那“干涉条纹”的“凹凸形状”就更明晰。同时，你在赤道和南极放两个同样的 LIGO效果也不同，如果引力波面朝赤道冲来，南极就基本测不到了。 发布?意义 两年前，孙翎从 IBM软件工程师的职位离开，来到墨尔本大学物理系读博，尽管她没有物理专业的背景，但导师认为她的信息技术背景，能为 LIGO引力波数据分析加分。孙翎所在的是 LSC的持续引力波组，这种引力波来自持续性的源，比如，质量非轴对称分布的、自转的中
22、子星，其表面隆起的微小“山峰”导致加速度而产生引力波。不像爆发或并合，它默默连续不断地发出相对较稳定的引力波，有的可持续很久，但又极其微弱而可能一直在海量信号下“休眠” ，需要足够好的分析算法才能将之甄别。在双星并合信号被发现后，他们松了口气，那意味着有一天像这般中子星的持续低吟也能被听到。 这么多年来，初级 LIGO收集着全天球各个方向的数据，有的针对已知的可能探测到的持续引力波源，对天球某个方位做定位搜索。也有的进行全天球搜索，他们采用的原始数据都来自 LIGO天文台的观测输出，全球许多强大的机群都可以访问这部分庞大的数据，用各个数据分析小组研发的各种数据分析程序进行复杂的运算，分析总结探测的结果。 “初级 LIGO观测得到的数据我们也一直在分析，即使因为敏感度不
