对时空涟漪的搜寻，可以帮助我们甄别不同的引力理论。图片来源：《新科学家》
（文/ Stuart Clark）这里就像是在颁发奥斯卡奖，但只有物理学家出席，没有演员。有300人聚集在美国加利福尼亚州阿卡迪亚的一个舞厅里，另有100多人通过视频与会场相连。所有人都在等待信封被打开的那一刻。
虽然这个仪式看起来缺少吸引力（抱歉，物理学家），但它的戏剧性足以弥补这一不足。与好莱坞颁奖相反，那个信封里的东西会让他们所有人，要么都成为赢家，要么都一败涂地。
他们正在搜寻宇宙结构中的涟漪——引力波，它是爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被验证的预言。广义相对论认为，它可以由恒星的碰撞、黑洞的形成，以及宇宙大爆炸本身所产生。但是，当它们穿过遥远的距离抵达地球时，它的扰动仅有最小原子核直径的约千分之一大，小到极端得难以探测。然而，发现引力波会从根本上改变我们研究宇宙的方式。
怀揣着这样一个目标，整整一代的引力波科学家把他们毕生的精力都花在了研发仪器上，以便探测这些极其微弱的信号。纵然花了半个多世纪来创新和完善技术，进而隔绝掉哪怕是最微小的干扰，引力波探测器虽志存高远却仍然不够灵敏。尽管这些努力已经把我们带到了作出发现的边缘，但这一不屈不挠的诉求也付出了代价。英国格拉斯哥大学的引力波物理学家马丁·亨得利（Martin Hendry）说：“有相当多的人已经习惯性地认为，无论我们自认为看到了什么样的信号，它都必然是仪器噪声。”
正因为如此，这些探测尝试的上层偶尔会往数据里“注入”假信号，好让普通成员忙个不停。尽管没人能完全否定他们看到的信号只不过是一次测试，但科学家的工作热情依然高涨。
在6个月的辛苦分析之后，每个人都相信他们看到的是两颗恒星碰撞形成黑洞时发出的引力波。由于它来自天空中大犬座的方向，科学家给它一个代号“大狗”。在数据分析完成之前，科学家被禁止向外界透露有关的情况。于是，2011年3月，他们聚集到了美国的加利福尼亚州，来商讨下一步的举措。
“合作团队决定，要提交一篇论文来公布这一发现的证据，”亨得利回忆说。当时他在场见证了最后的一道坎：打开信封，看看这个信号究竟是不是管理层人为加到探测系统中的。“我记得当时在想，如果最终确实这是一个真实的信号，那整个世界会突然变得有多么不同。”
当信封（其实是PowerPoint幻灯片）被打开时，世界依旧。由于事先知道黑洞产生的引力波会是什么样子，管理层偷偷地在恰当的时间，以恰当的方式，对探测器做了手脚。“大狗”是一个人为的信号。
但很快就会有那么一天，我们将看到一个真实的信号。大西洋两侧的引力波探测器都正在进行重要的升级，来提高它们的灵敏度。当那一天来临时，它会为天文学家带来一种全新的感知能力。
迄今，我们对宇宙的大部分认识都来自于“看”——使用望远镜收集可见光以及其他形式的电磁辐射，包括射电波、红外线和X射线等。“现在，我们还想听一听宇宙，”意大利特伦托大学的斯特凡诺·维塔勒（Stefano Vitale）说。
捕捉引力波
你该如何去探测时空中的涟漪呢？位于意大利卡思契纳的Virgo干涉仪，正奋战在引力波探测的最前沿。它由两条呈直角的臂组成，每条臂长3千米。激光会同时在这两条臂中传播，通过两端的镜面来增加传播距离，使总长达到大约100千米。
Virgo干涉仪，位于意大利的乡村，由两条呈直角的壁构成，每条臂长3千米。图片来源：ufl.edu
通常，这两道激光束会以相同的时间走完它们的旅程。在终点处，它们会被汇集到一起，以检测它们是否同步。然而，如果有引力波从其中穿过的话，它会略微改变激光传播的路径长度，先改变一条臂中的路径，然后再改变另一条臂中的路径。这意味着两束激光将不再同步，但之后又会恢复正常。
美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）使用了相同的技术。它在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿各有一个探测器。2010年年末，Virgo和LIGO对引力波的搜寻暂时停止，以便进行升级，把灵敏度提高约10倍。通过比较欧洲和美国探测器间的信号，物理学家可以三角定位引力波入射的方向，从而确定它的源头。
参与其中的科学家相信，当这3个探测器于2016年重新开始运转时，作出第一个发现只是时间问题。亨得利说：“我们预计会在2016年末或2017年初达到足够的灵敏度，探测到一些东西的几率应该会变大。”
就算真的第一次探测到了引力波，这项研究也还远远没有结束。与电磁波谱涵盖了从射电和微波到可见光和γ射线类似，引力波谱也有多样性。不同的天体会产生不同波长的引力波。在地球表面并不能探测到所有的引力波。
地面上的探测器只能探测频率较高的引力波，可能由超新星爆发或者恒星碰撞形成小型黑洞所产生。
如果我们希望探测到星系碰撞的过程中超大质量黑洞并合或者进食所产生的引力波，那就需要把探测器送入太空。在那里，频率较低的引力波才不会被地球内部的震动所掩盖。
2015年7月，欧洲空间局（ESA）将发射LISA探路者探测器。它是建造来测试相关探测技术的，是打造一个成熟的空间引力波探测任务所需的关键性的第一步。
位于LISA探路者心脏处的，是两个完全相同的金属立方体，每一块都由2千克的金和铂构成。这两颗金属心脏并不会跳动，而是恰恰相反。“它们将是太阳系中最宁静的东西，我是指真正的宁静，”这一任务的首席科学家维塔勒说，“之前还没有人制造过这么宁静的东西。”
这两个检验质块在发射时会被紧紧夹住，一旦进入轨道就会被释放。之后，它们会在舱内自由飘动，彼此间隔约35厘米。
LISA探路者正在进行测试，它将检验探测引力波的空间技术是否切实可行，也有可能去探测牛顿引力在极端环境下是否仍然成立。图片来源：ESA
被修改的引力
LISA探路者的激光会监视两个立方体的相对运动变化。它可以探测到小到1皮米（10-12米，即十亿分之一毫米）的距离变化——比先前ESA制造的传感器，即用于从轨道上来测量地球重力场的GOCE任务，还要精确100倍。
如果LISA探路者一切顺利，这些检验质块的下一次飞行，便会在2028年或者2034年，完整版的LISA发射之日。到那时，与仅间隔35厘米不同，3个不同的探测器里的检验质块会相距500万千米。在这个距离上，它们会使用各自的激光来探测引力波穿过时彼此之间距离的微小变化。
每一位引力物理学家对此都会感到极为高兴，更不用提这会给他们提供大量能够用来分析的数据了。然而， 换一个角度来说，LISA探路者带来的科学内涵，或许比任何人最初想象的还要多。
随着仍在逐步壮大的一小组科学家和工程师的加入，LISA探路者将不再仅仅是一个技术演示任务。它有可能会成为1919年以来最伟大的引力实验。那一年，英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）证实了爱因斯坦的广义相对论，后者拓展了牛顿的引力理论，将爱因斯坦自己的狭义相对论也囊括了进来。
爱丁顿在一次日全食的过程中证明，来自一个遥远星团的光在从太阳附近穿过时，路径会发生弯曲。这种星光的“透镜”效应只有在引力极强的时候才会发生。牛顿的引力定律对此没有作出预期，爱因斯坦却准确地给出了预言。爱丁顿之所以能成功地证认这一点，是因为当时的望远镜已经精确到了足以测量这一效应。
绝大多数物理学家都假定，牛顿引力定律只在强引力场中失效，例如在恒星、星系团或者黑洞这样的大质量天体附近。但在其他地方，他们则假定引力如牛顿描述的那样，会随着到星系中心距离的平方而衰减。这一想法导致了暗物质的引入，这些不可见的物质提供的额外的引力，维系住了单个星系的转动，并把多个星系束缚在了星系团中。虽然没有人知道暗物质是什么，但大部分天文学都相信它们是存在的。
然而，许多观测结果也可以用另一种方式来解释，只要星系对恒星施加的引力比牛顿预言的引力更强即可。在这些“被修改的引力”中，最著名的当属修改的牛顿动力学，简称MOND。这个理论是上世纪80年代，由当时在美国普林斯顿大学任职的莫德采·米尔格若姆（Mordechai Milgrom）提出的。只有在引力造成的加速度小于某个特定微小数值的地方，这个理论才起作用。
2006年，以色列耶路撒冷希伯来大学的雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和英国伦敦帝国学院的乔奥·马古悠（Joao Magueijo）精确确定了这些地方所在的位置。他们的计算显示，在太阳系的特定区域，太阳、行星和卫星的引力会相互抵消，那里被称为鞍点。
如果LISA探路者可以穿过或者靠近这些鞍点中的一个，灵敏的激光系统就可能处于被修改引力理论的掌控下，从而检验牛顿引力定律。同在英国伦敦帝国学院的阿里·莫扎法里（Ali Mozaffari）说：“如果看到了出乎预料的东西，我们就能十分肯定地说，引力并非我们想象的那样；还有更深层次的‘引力’存在。”
莫扎法里正同马古悠等人一起，研究拓展LISA探路者任务的可能性。距离鞍点越近，利用LISA探路者中的金属立方体所作的检验精度就越高。如果能够按照预期工作，并且该探测器可以深入到距鞍点50千米的地方，那么类似MOND这样对引力进行修改的理论所产生的效应就会显著体现出来。莫扎法里在他今年最新发表的一篇论文（详见arxiv.org/abs/1204.6663v2）中指出，即便距鞍点仍有400千米，你也会得到一个足够强的信号，宣告你做出了新的发现。
自米尔格若姆提出最初的设想以来，又涌现了许多不同版本的修改引力理论。是否可以用观测到的信号来检验某种特定的理论，是目前正在研究的问题。莫扎法里说：“许多人根据他们的理论作出了不同的预言。”但他说，要把一个信号和一种特定的理论真正联系上，却更为困难，“这项研究还在进行中”。
如果靠近鞍点然后发现一切正常，那事情就会简单一些，因为它会对修改的引力理论施加更强的限制，甚至完全排除其中一些理论。
完全建成的LISA，将由3个探测器构成，彼此间隔500万千米，以探测引力波造成的空间尺度极其细微的改变。图片来源：wikimedia.org
为了进行这一实验，ESA必须在引力波探测技术已经完全被演示并被了解之后，对LISA探路者任务进行拓展。维塔勒说，技术演示毫无疑问是该任务的第一要务。“我不会说我已经准备好去鞍点了，”他说，“如果我们必须对引力波探测器进行其他额外的测试，那些测试仍然会具有最高的优先级。”
不过，他对鞍点也很感兴趣。“它是独一无二的设备，这是毫无疑问的，”维塔勒说，“当你把一台独一无二的仪器放到独一无二的位置上时，总能获得一些东西。”
毫无疑问，LISA探路者和地面引力波探测器的升级都让人兴奋。“我仍像第一天时那般狂热，”维塔勒说，“你必须这样。如果你自己都不相信，那就什么都不会发生了。”
至于究竟何时能第一次探测到引力波，这是2013年7月引力波会议的最后一个议题。与会的科学家预计会是2017年1月1日。
亨得利不希望如此。尽管这不是奥斯卡，但作为一个苏格兰人，在那一天的前一晚，他还有另一个派对必须要参加。“家人可不希望我在那一天还24小时呆在电脑旁边守着，”他说。可是，这样的时刻，他又怎么舍得错过呢？
编译自：《新科学家》，Ear on the universe
扩展阅读
回到鞍点
引力鞍点是两个天体之间引力场相互抵消的地方，是天体之间的平衡点。
鞍点类似于拉格朗日点，后者因为给天文仪器提供了理想的观测地点而知名。事实上，ESA的LISA探路者就将前往日地连线上距离地球150万千米的拉格朗日点。位于这些点上的探测器所受到的引力，使得它可以在与地球相对位置保持不变的情况下绕太阳转动。鞍点和它的区别是，那里的引力场会完全抵消。穿过鞍点时，引力会瞬间降为零。
当LISA探路者接近地球和太阳的鞍点时，它的载荷会探测到这一引力下降，并检验牛顿的引力定律。
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