听，来自黑洞的声音|《引力世纪——从爱因斯坦的日食到黑》书摘

尽管并不能真正被听到，但是引力波有几个性质与声音相似。声波会通过交替地拉伸和压缩所在介质（例如空气或水）的方式来产生声音信号——突然的巨响，大声的叫喊，或是莫扎特（Mozart）的协奏曲。引力波则通过交替地拉伸和压缩物质——即时空的结构——来产生波动。休斯提到，将引力波转化为声音，可以突出显示波的频率、振幅和持续时间等性质所携带的丰富信息。这些信息与创造波的系统相关。从这些性质中，科学家可以确定波源的质量、密度和旋转速度。LIGO可以探测到的引力波的频率范围是每秒10—1000次，这也在人耳可听见的范围以内。地球上记录到的第一个引力波在很久之前形成于一个遥远的星系，当时两个相距甚远的黑洞还在围绕着彼此极其缓慢地旋转。在这场“致命”的相逢最开始发生的时候，两个黑洞伙伴还在绕着对方优雅地跳双人舞。但此时，它们已使时空产生了波动。可是最初的波动频率太低，幅度太小，就像是低沉的轻语，根本无法被LIGO探测到。在几千年到几百万年的时间里，两个黑洞一点点靠近彼此，它们缓慢的舞步也逐渐变成了激烈的死亡旋转。直到黑洞碰撞之前的最后0.2秒，时空涟漪越来越强，频率越来越高，LIGO才探测到它。如果将它转化为音频的话，那听起来就像是在音阶上滑行而过的鸟叫声。这之后便是尾声：一个单音符，就像是敲锣时的一声巨响，然后一切归于死寂。两个黑洞完成了并合，产生了一个更大质量的引力怪兽。这部分无调的交响乐也被LIGO记录了下来。在黑洞并合之前，它们的质量分别是太阳质量的29倍和36倍。尽管两个黑洞的质量加起来应该是太阳质量的65倍，但并合之后产生的黑洞只有62个太阳质量。在极短的时间内，另外3个太阳质量的物质被转化成了纯能量，即碰撞产生的最后一组引力波所携带的能量。休斯估测，如果有一个巨大的宇宙电池将引力波中的能量储存起来的话，它可以将宇宙中1750亿个与银河系大小相仿的星系中所有的恒星全部点亮。 13亿年前，当引力波离开那个遥远星系的时候，植物才刚刚在地表生根。2015年9月14日，美国中部时间凌晨4点50分，引力波到达了地球，此时两个极其灵敏的监听站刚开始运作。LIGO的一对探测器相距1865英里之遥，一个位于华盛顿州的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。掠过它们的引力波信号实在是太微弱了——只能让一根4千米长的管子发生质子直径的1/1000尺度的形变。当科学家们第一次看见LIGO的信号时——波形类似于异常响亮的鸟鸣声，他们觉得这一信号太完美了，不像是真的。研究人员的怀疑是有理由的。工程师们刚刚对探测器进行了重大的升级改造。此外，LIGO的工作人员也知道，有一批LIGO的科学家会随机地给数据中添加虚假信号，以保证LIGO团队始终处于工作状态。曾经有科学家花了几个月的时间研究一个看起来很像引力波的信号，直到研究成果即将发表的时候才发现那个信号并不是真实的。但这次的信号并非人为添加。汉福德和利文斯顿的探测器都捕捉到了相同的引力波，时间间隔为7毫秒。这一发现有力地证实了爱因斯坦的引力理论。1916年，爱因斯坦预测，当一个大质量物体爆炸、撞击到另一个物体、加速或减速的时候，会产生时空的波动，使得时空看起来就像是一杯果冻。对这种震动的探测不仅可以验证爱因斯坦的引力理论，也能以一种全新的方式证实黑洞的存在。之前的黑洞存在的证据——尽管有很多——都是间接的。天文学家对恒星绕星系的致密核心旋转时的极高速度进行记录，同时记录下疑似黑洞的天体外部围绕的热气体盘的高能辐射。LIGO的证据则与之不同，它记录的引力波直接来自相互碰撞的黑洞本身。40年来，这种探测器的技术发展到了顶峰，可以探测到比原子核尺度还小的距离变化。2017年，诺贝尔物理学奖颁发给了LIGO的资深物理学家韦斯（Rainer Weiss）、索恩和巴里什（Barry Barish）。 LIGO团队的一些科学家将这一重要的发现类比于人类第一次利用摄影技术捕捉到光线的景象：尼埃普斯（Joseph?Nicéphore Niépce）于1826年或1827年在顶楼的窗边拍摄了自己在法国勃艮第的庄园的照片。但另一个更恰当的类比应该是爱迪生（Thomas Edison）首次利用留声机捕捉声音的场景：1877年他在锡纸上记录下了自己哼唱《玛丽有只小羊羔》（Mary Had a Little Lamb）的声音。“它在唱歌！它在笑！”当时的海报用这样的惊叹来宣传爱迪生的留声机。在LIGO探测到引力波的数年前，科学家们已经使用了全世界最精细的光学设备来对大质量恒星成像，并记录围绕遥远星系中的巨大黑洞不停旋转的物质发出的光。但是现在，科学家们也对宇宙竖起了耳朵。他们听见了两个黑洞并合时发出的歌声。他们第一次听到了引力的声音。《引力世纪——从爱因斯坦的日食到黑》 [美] 罗恩·考恩著王晓涛译 2021年5月出版定价：40.00元上海科技教育出版社

尽管并不能真正被听到，但是引力波有几个性质与声音相似。声波会通过交替地拉伸和压缩所在介质（例如空气或水）的方式来产生声音信号——突然的巨响，大声的叫喊，或是莫扎特（Mozart）的协奏曲。引力波则通过交替地拉伸和压缩物质——即时空的结构——来产生波动。

休斯提到，将引力波转化为声音，可以突出显示波的频率、振幅和持续时间等性质所携带的丰富信息。这些信息与创造波的系统相关。从这些性质中，科学家可以确定波源的质量、密度和旋转速度。LIGO可以探测到的引力波的频率范围是每秒10—1000次，这也在人耳可听见的范围以内。

地球上记录到的第一个引力波在很久之前形成于一个遥远的星系，当时两个相距甚远的黑洞还在围绕着彼此极其缓慢地旋转。在这场“致命”的相逢最开始发生的时候，两个黑洞伙伴还在绕着对方优雅地跳双人舞。但此时，它们已使时空产生了波动。可是最初的波动频率太低，幅度太小，就像是低沉的轻语，根本无法被LIGO探测到。

在几千年到几百万年的时间里，两个黑洞一点点靠近彼此，它们缓慢的舞步也逐渐变成了激烈的死亡旋转。直到黑洞碰撞之前的最后0.2秒，时空涟漪越来越强，频率越来越高，LIGO才探测到它。如果将它转化为音频的话，那听起来就像是在音阶上滑行而过的鸟叫声。

这之后便是尾声：一个单音符，就像是敲锣时的一声巨响，然后一切归于死寂。两个黑洞完成了并合，产生了一个更大质量的引力怪兽。这部分无调的交响乐也被LIGO记录了下来。

在黑洞并合之前，它们的质量分别是太阳质量的29倍和36倍。尽管两个黑洞的质量加起来应该是太阳质量的65倍，但并合之后产生的黑洞只有62个太阳质量。在极短的时间内，另外3个太阳质量的物质被转化成了纯能量，即碰撞产生的最后一组引力波所携带的能量。休斯估测，如果有一个巨大的宇宙电池将引力波中的能量储存起来的话，它可以将宇宙中1750亿个与银河系大小相仿的星系中所有的恒星全部点亮。

13亿年前，当引力波离开那个遥远星系的时候，植物才刚刚在地表生根。2015年9月14日，美国中部时间凌晨4点50分，引力波到达了地球，此时两个极其灵敏的监听站刚开始运作。LIGO的一对探测器相距1865英里之遥，一个位于华盛顿州的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。掠过它们的引力波信号实在是太微弱了——只能让一根4千米长的管子发生质子直径的1/1000尺度的形变。

当科学家们第一次看见LIGO的信号时——波形类似于异常响亮的鸟鸣声，他们觉得这一信号太完美了，不像是真的。研究人员的怀疑是有理由的。工程师们刚刚对探测器进行了重大的升级改造。此外，LIGO的工作人员也知道，有一批LIGO的科学家会随机地给数据中添加虚假信号，以保证LIGO团队始终处于工作状态。曾经有科学家花了几个月的时间研究一个看起来很像引力波的信号，直到研究成果即将发表的时候才发现那个信号并不是真实的。

但这次的信号并非人为添加。汉福德和利文斯顿的探测器都捕捉到了相同的引力波，时间间隔为7毫秒。

这一发现有力地证实了爱因斯坦的引力理论。1916年，爱因斯坦预测，当一个大质量物体爆炸、撞击到另一个物体、加速或减速的时候，会产生时空的波动，使得时空看起来就像是一杯果冻。对这种震动的探测不仅可以验证爱因斯坦的引力理论，也能以一种全新的方式证实黑洞的存在。之前的黑洞存在的证据——尽管有很多——都是间接的。天文学家对恒星绕星系的致密核心旋转时的极高速度进行记录，同时记录下疑似黑洞的天体外部围绕的热气体盘的高能辐射。LIGO的证据则与之不同，它记录的引力波直接来自相互碰撞的黑洞本身。40年来，这种探测器的技术发展到了顶峰，可以探测到比原子核尺度还小的距离变化。2017年，诺贝尔物理学奖颁发给了LIGO的资深物理学家韦斯（Rainer Weiss）、索恩和巴里什（Barry Barish）。

LIGO团队的一些科学家将这一重要的发现类比于人类第一次利用摄影技术捕捉到光线的景象：尼埃普斯（Joseph?Nicéphore Niépce）于1826年或1827年在顶楼的窗边拍摄了自己在法国勃艮第的庄园的照片。但另一个更恰当的类比应该是爱迪生（Thomas Edison）首次利用留声机捕捉声音的场景：1877年他在锡纸上记录下了自己哼唱《玛丽有只小羊羔》（Mary Had a Little Lamb）的声音。“它在唱歌！它在笑！”当时的海报用这样的惊叹来宣传爱迪生的留声机。

在LIGO探测到引力波的数年前，科学家们已经使用了全世界最精细的光学设备来对大质量恒星成像，并记录围绕遥远星系中的巨大黑洞不停旋转的物质发出的光。但是现在，科学家们也对宇宙竖起了耳朵。他们听见了两个黑洞并合时发出的歌声。他们第一次听到了引力的声音。

《引力世纪——从爱因斯坦的日食到黑》
[美] 罗恩·考恩著
王晓涛译
2021年5月出版
定价：40.00元
上海科技教育出版社

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