为纪念创刊150周年，我们重温了《科学美国人》杂志上（无论成功还是失败）那些帮助定义了科学进步、理解和创新的故事——并加入了现代背景。探索完整的《来自档案馆》系列，并在此查看我们所有的周年纪念报道。
13亿年前，两个黑洞碰撞，释放出的能量相当于三颗太阳的能量，震动了时空的织构。2015年的一天，在美国华盛顿州汉福德的一个偏远设施中，研究人员探测到了那次古老的宇宙撞击，因为它的影响掠过地球。他们绘制了它的引力波图，其长度几乎无法想象地小（质子直径的1/10000），并将其转化为音频，听到了一声“呼”声。这微小的声音记录历经了100多年的打磨。
自爱因斯坦于1916年预测引力波——由巨大事件引起的时空涟漪——的存在以来，物理学家们一直在寻找探测它们的方法。在1981年4月的文章中，《科学美国人》杂志编辑Arthur Fisher将寻找引力波的过程描述为“科学史上最激动人心的探索之一”。2015年探测到引力波的是激光干涉引力波天文台（LIGO），但正如Fisher解释的那样，在1981年，它只是众多竞争项目中的一个，每个项目都在追求不同的测量技术。
麻省理工学院物理学教授（现已退休）Rainer Weiss和加州理工学院的Kip Thorne是Fisher采访过的众多科学家中的一员。Weiss在20世纪70年代设计了激光干涉仪，后来与Thorne和Barry Barish合作建造了LIGO（三人因其贡献获得了2017年诺贝尔物理学奖）。自2015年首次探测到宇宙“呼”声以来，LIGO已探测到90起不同的引力波事件。
在文章中，Fisher描述了导致时空震动的遥远宇宙区域，包括星震、伽马射线暴和脉动的中子星（脉冲星）。但正是Weiss，在他设计的设备于2015年探测到第一个引力波后不久，最能捕捉到宇宙的湍流：“像恒星这样巨大的物体，以光速移动，互相碰撞，将时空的几何形状变成某种洗衣机。”
《对引力波的诱人探索》（Arthur Fisher，1981年4月）
当科学家们终于探测到一种他们从未见过的新能量形式时，他们将开启天文学的新时代。
在浩瀚的宇宙中，灾难司空见惯：总有大事发生。也许是一颗耗尽能量的太阳的燃烧死亡，或是两颗黑洞的碰撞，亦或是中子星深处的一次颤动。这种事件会喷发出携带巨大能量的辐射洪流。能量穿越太空，笼罩着我们的太阳系，扫过地球……而无人察觉。
但是，有一小群实验者，或许在全球有20个团队，从加州散布到广州，决心总有一天他们会察觉到。他们将当代技术推向极限，甚至超越极限，与自然法则的明显限制作斗争，他们正在开发有史以来最灵敏的探测器。而且他们确信，最终，他们将探测到这些令人抓狂的无形现象——引力波。
尽管引力波（更正式的名称是引力辐射）从未被直接探测到，但几乎整个科学界都确信它们的存在。这种确信部分源于引力波概念所建立的基石：爱因斯坦的广义相对论，尽管它仍在接受检验，但仍未被推翻（《科学美国人》，1979年12月）。加州理工学院天体物理学家Kip Thorne表示：“我不知道有任何受人尊敬的引力理论专家对引力波的存在有任何疑问。我们可能出错的唯一方式是，如果爱因斯坦的广义相对论是错误的，并且所有竞争理论也都是错误的，因为它们也预测引力波。”
1916年，爱因斯坦预测，当物质以某种方式加速时，运动的质量会在无形的时空网格中产生涟漪，当涟漪经过时，会短暂地拉扯着宇宙海洋中的每一个点。这些涟漪——引力波——将携带能量并以光速传播。
在许多方面，这个预测与才华横溢的英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的预测相似，他逝世于爱因斯坦诞生的1879年。麦克斯韦指出，电荷的加速会产生电磁辐射——包括光在内的各种波，它们都以恒定的速度传播。他的观点受到了许多同时代人的嘲笑。但在他去世仅仅十年后，当海因里希·赫兹在实验室中产生并探测到无线电波时，他的理论得到了证实。
那么，为什么在爱因斯坦大胆预测60多年后，还没有人看到引力波呢？为什么尽管存在巨大的障碍，物理学家们仍在进行一场现代版的圣杯追寻，这是科学史上最激动人心的探索之一？
为了找出答案，我拜访了正在建造引力波探测器的实验者和指导他们的理论家。在此过程中，我了解了其中的问题，以及解决这些问题的尝试如何已经产生了有用的附属技术。我也了解了如果这项探索成功，最终的成果：一种前所未有的强大工具，能够首次穿透“宇宙中最压倒性的事件”。
隔太平洋吹来的一吻
探测引力波的根本问题在于，引力作为一种力，极其微弱，比电磁力弱约40个数量级。（即1040，即1后面跟40个零。）
部分原因在于此，也部分因为引力波的其他性质，它们与物质的相互作用非常弱，使得它们的传播几乎难以察觉。与电磁学的偶极辐射不同，引力辐射是四极的。
例如，如果本星系团中超新星产生的引力波穿过你现在阅读的页面，四极效应会先使长度膨胀而宽度收缩（反之亦然），然后反转。但沉积在页面上的能量如此微不足道，以至于尺寸的变化将小于一个质子的直径。因此，尝试探测引力波就像站在大苏尔的海浪边，听着隔太平洋传来的一吻。至于在地球上产生可探测的引力波，如赫兹所做的那样，理论家们早已排除了这种可能性。“当然，你挥挥拳头就会产生引力波，”麻省理工学院物理学教授Rainer Weiss说。“但任何你能够探测到的东西都必须由快速运动的大质量物体产生。这意味着宇宙中的事件。”
天体物理学家们已经整理了这些事件的完整目录，每个事件都与不同能量、不同特征频率和不同发生概率的引力波相关。它们包括宇宙开始时“大爆炸”的所谓连续背景引力辐射（《科学美国人》，1980年12月），以及周期性事件，如脉冲星和由超致密天体组成的双星系统发出的规律性辐射脉冲。然后还有奇异事件：球状星团、星系核和类星体中黑洞的诞生；中子星的震动；以及超新星。
或许最主要的探测候选者是斯坦福大学物理学教授William Fairbank所称的“宇宙中最戏剧性的事件”——超新星。当像太阳这样的恒星老化时，它将其质量转化为核能，可能在50亿年里转化1%。Fairbank解释说：“像太阳这样的大恒星不会坍塌的唯一原因是，其核心极高的温度产生的压力足以抵抗引力。但随着它冷却并耗尽燃料，引力开始克服使粒子分开的电磁力。它坍塌得越来越快，如果它是一颗超新星，恒星的外壳会炸飞。在最后一毫秒，它会坍塌成一颗中子星，如果原始恒星的质量超过三倍太阳质量，可能变成一颗黑洞。”表征引力波能量的一种方法是它在受影响物质中引起的应变。如果质量具有一定的长度，那么应变等于（由引力波产生的）长度变化除以该长度。引力波的应变非常非常小。本星系团中发生的超新星可能会在地球上产生一种应变，使一个100厘米长的探测器的长度收缩或伸长，仅为一个原子核直径的百分之一。（即10-15厘米，物理学家将应变标记为10-17。）值得庆幸的是，不懈的实验者们已经开发出了能够感知如此微小变化的探测器。
但有一个问题：根据对其他星系的观测，预计一个超新星大约每30年在任何给定星系的密集中心发生一次。这是一个令人沮丧的长间隔。我与之交谈的科学家们一再表示，如果工作必须依赖如此罕见的事件，他们将无法取得有意义的进展。罗切斯特大学物理学教授David Douglass告诉我：“建造一个可能每30年才探测到一次事件的实验——这并不是一项非常令人满意的职业。对于研究生助理来说，这甚至不是一个很好的博士项目——它甚至都不是一个好的职业项目——你可能会运气不好。”
引力波：强大的天文学工具？
如果我们不局限于本星系内的事件，而是放眼更远的地方呢？我们不再关注本星系“极其罕见”（一位研究人员的话）的超新星，而是关注一个更大的区域——室女座星系团，那里有大约2500个星系，超新星应该会每隔几天到大约一个月左右发生一次。这就是“第22条军规”。室女座星系团距离本星系中心约1000倍。因此，来自该星系团的超新星事件产生的引力波对地球的影响将减弱约一百万倍（根据所有辐射能量的平方反比定律，为1000乘以1000）。这意味着需要建造一个灵敏度提高一百万倍的探测器。“科学领域中，”加州理工学院和苏格兰格拉斯哥大学的Ronald Drever说，“没有哪个领域像引力波探测这样，需要如此巨大的灵敏度提升。”尝试探测一个遥远星系中的超新星意味着需要测量比原子核还要小一百万倍的位移。
悖论的是，正是这种特性赋予了引力波能力，使其成为Kip Thorne所说的“一种非常强大的天文学工具。的确，它们可以轻易地穿过引力波探测器。但这意味着黑洞诞生过程中产生的引力波也可以毫无阻碍地穿过所有周围的物质。”而光、伽马射线或无线电波则不能。在超新星爆发时，我们可以通过电磁辐射流看到爆炸的外壳，但这只是在最初的巨大内爆——引力坍塌——之后数小时或数天。在坍塌过程中，当中子星或黑洞形成时，除了引力波（以及理论上的中微子）外，没有任何东西可以逃逸。
“我们已经部分地打开了所有通往宇宙的电磁窗口，”Thorne说。“随着引力波天文学的发展，我们将打开一个独特的窗口，去观察那些无法以其他方式充分研究的迷人、爆炸性的事件——黑洞的诞生和碰撞，星震，坍塌成中子星。这是现代高能天体物理学的真正核心。”
但是，正如食谱所说，你首先必须抓住你的引力波。直到20世纪50年代，没有人认为这项任务甚至可行。然后，马里兰大学物理学家Joseph Weber开始思考建造引力波探测器的问题，并着手进行。毫不夸张地说，他开创了整个领域。到1967年，他和他的助手们建造了第一个运行的引力波探测器——一个巨大的铝棒，尽可能地与外部振动隔离，并被压电晶体传感器环绕，后者将尺寸变化转化为电信号。Weber在他的探测器和 Argonne的另一个双探测器上报告了一系列记录到的事件，他认为这些是引力波（《科学美国人》，1972年5月）。他的报告激发了许多其他实验者建造自己的探测器。由贝尔实验室的J. A. Tyson和罗切斯特大学的David Douglass等研究人员设计的探测器遵循与Weber开创性的棒状探测器相同的原理，但灵敏度更高。这些人以及后来的实验者未能证实Weber的发现；事实上，在Weber的棒状探测器能够达到的灵敏度水平上，理论家认为不可能探测到引力波。“要么是Joe Weber错了，”其中一位告诉我，“要么是整个宇宙都错了。”
今天，有三种基本的引力波探测器正在开发中。第一种基本上是改进型的Weber共振棒天线；第二种是激光干涉仪；第三种是称为多普勒跟踪的太空系统。每一种都有其优点，也都有其棘手的工程问题。
共振棒是最先进的，主要是因为它开发时间最长。这样的棒越重越好（因为它对引力波的响应更好）。它的价值取决于其共振或“敲击”一段时间后的“响度”质量。它响的时间越长，实验者就越能分辨出引力波的影响。这个质量由一个称为“Q”的值来衡量——Q值越高越好。一段时间以来，David Douglass等人，包括苏联科学家，一直在试图用像蓝宝石晶体球这样的高Q值材料来制造探测器。但 Douglass，就他个人而言，又回到了铝。原因如下：已经发现了具有非常高Q值的新型铝合金；蓝宝石无法制成大块（他的一台探测器有一个六吨重的铝棒）；以及成本：“一块60磅的纯蓝宝石晶体，”他告诉我，“大约要花费5万美元。”
与几乎所有开发棒状天线的其他研究人员一样，Douglass已经放弃了室温探测器，转而采用低温探测器，将温度冷却到尽可能接近绝对零度。这包括澳大利亚珀斯、东京、莫斯科、路易斯安那州立大学、罗马、马里兰大学的Weber本人，以及斯坦福大学的William Fairbank及其同事的团队。
Fairbank告诉我为什么低温路线至关重要：“在室温下，棒中原子的热运动噪声比我们试图探测的位移大300倍。要想达到我们追求的灵敏度，唯一的方法就是通过冷却棒来消除这种热噪声。”
当我参观斯坦福大学时，探测器的五吨重铝棒被密封在它的杜瓦瓶中，一种超大型保温瓶。整个装置看起来就像可以用来将弗兰肯斯坦的怪物冷冻几个世纪的东西。环境也很合适：一个宽敞、通风的混凝土建筑，可能是一个废弃的飞艇仓库。
这个天线和其他类似的，被设计用来响应频率约为1000赫兹的引力波，这是超新星辐射的特征。显然，天线必须尽可能地与该频率或附近频率的任何外部振动隔离。斯坦福大学的团队通过使用特殊的弹簧来悬挂圆柱体，这些弹簧由交替的铁和橡胶棒组成，形成所谓的隔离堆栈。Fairbank说：“否则，以我们的灵敏度，这个探测器将是一个绝佳的地震仪——这正是我们在加州不想要的。”斯坦福大学的悬挂系统将外部噪声衰减了106倍，足以让你在附近扔一个保险柜而不会干扰探测器。
在路易斯安那州立大学，William Hamilton正在建造一个与斯坦福大学非常相似的天线（最终它将成为罗马-珀斯-巴吞鲁日-斯坦福轴线的一部分，用于寻找引力波的巧合），他采取了另一种实现地震隔离的方法。设备极低的温度使他能够通过磁力悬浮棒；它覆盖着一层薄薄的铌锡合金薄膜，这种材料在接近绝对零度时会变成超导体。如果在棒下方放置电磁铁，流过其涂层的持续电流将与磁场相互作用，使棒真正地漂浮在空中。
超导性也是设计能够感知这些天线微小位移并将其转换为可放大和测量的有用电压的传感器这一最令人费解的工程问题之一的关键。“你买不到这样的东西，”David Douglass说，“你必须自己制造，而且要超越现有技术水平。”Douglass和Fairbank都使用设计巧妙的超导设备，它们比最初使用的压电晶体极其灵敏——灵敏度要高几个数量级——尽管他们的方法在细节上有所不同。
有一天——很久很久以后——超导设备也可能允许引力波天文学家完成一项被称为“量子非破坏性测量”的戏法。为了简化起见，这意味着要规避所有共振探测器的一个基本限制，这个限制是由量子力学定律在位移变得越来越小时施加的。如果棒状天线要足够灵敏以探测室女座星系团中超新星的引力波，就必须面对这个问题。
另一种选择：激光干涉仪
“我们转向激光探测器的一个原因是，”Ronald Drever说，“为了避免量子极限问题。因为我们可以在更大的空间区域进行测量，所以我们实际上看到一个更大的信号。我们不必像在棒状天线中那样寻找如此微小的变化。”
激光干涉仪在两个镜子之间多次来回反射氩离子激光束。（该方案的概括性方法出现在92页的图示中。）当引力波在镜子之间波动时，光路长度会发生变化，导致光电探测器中出现的干涉图案发生变化。许多这样的探测器正处于规划和建造阶段，包括由该领域的先驱Rainer Weiss设计的麻省理工学院的探测器；德国马克斯·普朗克天体物理研究所的探测器；格拉斯哥大学的探测器；以及加州理工学院的探测器。
“格拉斯哥的那一个有10米长的臂，”Drever告诉我，“现在已经在工作了。我们正在加州理工学院研究的那一个也有10米长的臂，一旦新建筑准备好，它将被延长到40米。这将作为更大版本——一公里到几公里长——的原型。”
当然，激光干涉仪也有工程问题，而且随着尺寸的增大，这些问题会更加严重。激光束必须穿过真空管，隔离一公里长的管子并不容易。但Drever确信可以做到。“也许我们会把它放在矿井里，或者放在沙漠里，”他说。这个装置可能在1986年准备好，并且，Drever认为，它有可能最终探测到室女座星系团中的超新星。
激光探测器的一个额外优势是，它们不像共振天线那样仅限于狭窄的频率范围，而是对从几赫兹到几千赫兹的宽频带敏感。因此，它们可以探测到一些质量巨大的黑洞事件，这些事件的频率比超新星的引力波低。要探测频率低得多的引力波，例如来自双星系统的引力波，需要非常长的基线。“大约15年后，”Rainer Weiss说，“我们将需要大型的、基于空间的激光系统，例如使用10公里框架在太空中。这样我们就可以避免所有的地震噪声。”
第三种引力波探测器已经以某种形式存在于太空中。它已经被用于航天器导航20年了。它被称为多普勒跟踪，理论上非常简单。加州帕萨迪纳喷气推进实验室空间物理学和天体物理学项目负责人Richard Davies这样描述：“你从地球向航天器发送一个无线电信号，航天器上的应答器将信号发送回来。如果一个引力波穿过太阳系，它会改变两者之间的距离，当你比较发送出去的信号频率和你收到的信号频率时，你会发现它们不同——这就是多普勒频移。然而，引力波对这种频移的贡献与航天器自身速度的贡献相比微不足道。”
“我们想使用行星际航天器和用于跟踪它们的深空网络，来探测频率非常低，可能只有千分之一赫兹的引力波。这种波可能来自一个质量为百万到千万太阳的坍缩系统，或者来自每几个小时绕轨道运行一次的双星。”
国际太阳极地任务曾计划进行一项引力波实验。但据麻省理工学院的Irwin Shapiro（他曾担任美国国家科学院空间科学委员会引力物理学委员会主席）称，由于预算削减，NASA取消了该实验。
这些方法中哪一种将产生引力波的第一个直接证据？第一次接触又将在何时到来？没有人真正知道，引力波的搜寻者们自己也非常谨慎，不愿意做出断言和预测。但在本十年内某个时候似乎至少是可行的。
与此同时，引力波研究正在带来意想不到的红利。“它开启了一个，”Kip Thorne说，“量子电子学的一个小篇章。因为它极大地推动了现代技术的边界，它正在发明新的技术，这些技术将在其他领域产生溢出效应；例如，一种使激光频率比以往任何时候都更稳定的新方法。这在物理学和化学研究中都将非常有用。”
然而，从长远来看，对引力波的搜寻是由所有科学家和全人类的基本驱动力所推动的：看得更远一点，比以前了解得更多一点。
引力波存在的两个间接证据
关于引力波存在的任何形式的第一个证据并非来自直接探测，而是来自观察它们对一种奇特的 Astronomical Object——双星脉冲星——行为的影响。脉冲星被认为是快速旋转的中子星，以规律的哔哔声发出强烈的无线电信号。但脉冲星PSR 1913+16，由马萨诸塞大学天文学家团队于1974年用世界上最大的射电望远镜（位于波多黎各阿雷西博）发现，却很独特。它的哔哔声以一种持续约八小时的规律序列减速和加速。据此，以Joseph Taylor为首的天文学家推断，这颗脉冲星正快速绕着另一个质量极大的天体运行——或许是另一颗中子星。
爱因斯坦的广义相对论预测，这个双星系统应该会产生大量的引力波，并且能量辐射应该会从系统的轨道中缓慢地提取出来，随着超致密恒星螺旋靠近，其周期逐渐减小。爱因斯坦的方程预测，像PSR 1913+16这样的脉冲星，每年的周期会减少万分之一秒。在四年的观测之后，Taylor的团队于1978年底宣布，对无线电信号的超精确测量得出的值几乎完全符合这个数字。这种精确的匹配不仅为引力波的存在提供了良好的（尽管是间接的）证据，而且还进一步支持爱因斯坦的引力理论，反对一些竞争理论。
正如Taylor所说，他称之为“最初的偶然发现”，天文学家们拥有一个检验相对论的理想情境——一个移动的时钟（脉冲星）以非常精确的滴答速率和极高的速度运行，约300公里/秒。“这几乎就像我们自己设计了这个系统并把它放在那里来做这个测量。”
另一个间接的迹象表明引力波确实存在，是最近发生的，而且更加戏剧化。它源于一个仍然让天文学家们震惊的事件。格林威治时间1979年3月5日15时52分5秒，一股前所未有的强烈伽马射线爆发从宇宙深处闪过。它在分布在整个太阳系的九艘不同航天器上的探测器上触发了巨大的尖峰，这些航天器实际上构成了一个由美国、法国、西德和苏联维护的国际网络。
一生一次的事件
“3月5日的这次伽马射线事件非同寻常，”NASA戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）的Thomas Cline说，他和他的同事Reuven Ramaty以及其他美国、法国和俄罗斯的天体物理学家一直在分析它。“它不像过去十年中看到过的一百次伽马射线暴。这是一个前所未有的、独一无二的事件，就像科学一生中只可能看到一次一样。”
由于伽马射线的爆发被这么多分布在太空中的卫星探测到，天文学家们得以通过三角测量法确定其源头的位置，并将其与可见天体联系起来——这是第一次实现这种壮举。这个天体是一个被称为N49的超新星遗迹，位于大麦哲伦星系（LMC）中，这是一个距离我们约15万光年的邻近星系。
Ramaty、Cline及其同事推测，伽马射线爆发的起源是一颗颤抖的中子星——许多理论家认为这是超新星爆发后留下的超致密、超紧凑天体。“我们认为，”Cline告诉我，“中子星可以经历一种类似雪崩的转变。雪落在山上，直到发生滑坡。
同样，尘埃和其他物质在中子星上堆积，直到它无法承受自身的重量。然后发生一次星震，无论是在地壳还是在地核，恒星以大约3000赫兹的频率震动，如果你在Atmosphere中听到，你会听到这个音调。恒星的表面——直径只有五到十英里——每秒数千次地上下起伏数英尺。它的磁层被震动，间接产生了伽马射线。但在我们的模型中，这只是引力波引起的次级效应，引力波是由中子星的振动引起的。
“我们能探测到这些吗？答案是不能。毕竟，这只是星体原始坍塌——超新星——数千年后的某种“余波”。这就像一场大地震后的余震，可能只相当于主要地震的百分之一。”
尽管如此，Cline还是联系了所有当时可能“在线”的美国引力波实验者，看看他们是否在伽马射线爆发期间观察到了什么。在他们所有人中，只有Joseph Weber在那年三月有一台正在工作的天线，但他什么也没观察到。
卫星上的伽马射线探测器无法感知由星震模型预测的3000赫兹的频率。Cline说，如果它们能够探测到，那将是“一个非常直接的联系”到引力辐射的存在。
但是星震模型还做了另一个预测：产生的引力波应该带走巨大的能量，远超伽马射线的能量，从而非常迅速地抑制恒星的振动。“好的一点是，”戈达德的Reuven Ramaty说，“引力波在这个事件中预测的阻尼时间正好与我们观察到的相符：爆发的主要部分只持续了15.5百秒，这与我们模型计算的结果相符。所以，我们现在第二次获得了引力波存在的间接证据。但就像所有的间接检验一样，它们都有问题。它们无法取代直接证据。”
部分文本经过编辑，以符合当代标准和风格。
