你也许不相信,为了发现引力波,科学家曾经“造了假”……

作者：Jackie Ferrentino

编辑：Ent

翻译：玛雅蓝

作者：Jackie Ferrentino 图片来源：Nautilus

凌晨2:40，我被电话铃声吵醒。我们中总有至少一个人当班，而2010年9月的那个晚上，我自愿回应来自警报系统自动发送的信息。

当时我（乔纳）还是研究生，已经为两个引力波观测台LIGO（激光干涉引力天文台）和Virgo（处女座干涉仪）开发了第一个快速响应警报软件流水。这个系统的设计目的是在数据到达的时候搜索其中的天体物理信号，通知相关人员来检查信号是否有效，必要的话它还会把信息共享给全世界的天文学家。每次警报都包含了探测为真的可能——人类首次直接观测到引力波通过时空涟漪传播，正如爱因斯坦在1916年所预言的那样。

一位我们都知道的爷爷。图片来源：NASA/IMAGNO/GETTY IMAGES

我从床上爬起来，睡眼惺忪地走向公寓里那个小小的工作站。当时我并不知道，那次警报将给我们的职业生涯和情感带来怎样的大起大落。我登入事件数据库，开始浏览图表。我很快就清醒了。数据图像上显示了一个强烈得不同寻常的信号。更戏剧性的是，波形图呈现出我们所有人共同期待的啁啾信号（chirp），它是两个黑洞旋转着互相靠近并融合的时候发出的引力波特征信号。我已经在模拟实验中熟悉了它，但从来没有人见过它自然产生。我戴上耳机，急忙发起了一个电话会议。

两个黑洞正在合并，像不像一只猪鼻子？

图频来源：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project (http://www.black-holes.org)

我们九个人——分散在美国和意大利的各处——开始讨论这个结果，反复斟酌这个好得不真实的情况。我们的心砰砰直跳。我们得快速作出判断。如果这个戏剧性的信号是某种错误，那就没必要继续下去了。在30分钟的讨论之后，我们一致认为这个信号似乎是有效的，并按下一个按钮，将一组自动望远镜转向信号来源的方向。我们的工作日志通常是干巴巴的，但是那天晚上，它记下了我们共同的想法：“激动人心！！！非常强烈的重大事件…… ”

爱因斯坦曾经预言引力波的存在，几十年来，理论物理学家一直在为此争论不休。这个理论直到六十年代才最终被接受。半个世纪之后，我们还没有直接观察到任何引力波存在的迹象。

今晚，也许一切都将会改变，而我将参与其中。

……也不一定。

你还记得上一次参加消防演习的情形吗？其中是否有那么一个紧张的时刻，你问自己，万一这是真的呢？在那个九月的晚上，我们所有人的头脑中就盘旋着这样的想法。

大约在一年前，2009年的秋天，LIGO和Virgo的合作团队同意建立一个机制，让我们自己的数据能够被伪造。我们成立了一个小团队，团队有权秘密向引力波探测器发送模拟信号，而不告诉其余的人。

这样做乍看似乎有点多此一举并且自讨苦吃。引力波引发的时空扭曲比一个质子的直径还小，要测量它已经够难的了。为什么还要多此一举，自己折腾自己呢？

LIGO实验室共有两个引力波观测点，一个在华盛顿附近的汉福德，另一个则在路易斯安那州的利文斯顿。上图是位于汉福德的观测基地。

图片来源：Caltech/MIT/LIGO Lab

为了明白这样做的意义，假设你是一位科学家，即将成就一番伟大的事业，对你来说参与一项新发现就是最值得激动的事情之一，想象一下那是什么样的感受。揭开宇宙的秘密，观察前人未曾目睹的事物，这样的机会是一种不可思议的驱动力。它是让人们最初选择投身科学事业的原因之一，并激励着我们年复一年地加班加点工作。对于研究人员和科研机构来说，一项重大发现足以改变他们的事业轨迹，扩大他们的声誉。

艺术家的假想图：双中子星合并产生的引力波

图片来源：R. Hurt/Caltech-JPL

问题在于，如此巨大的诱惑与发现并确认它的过程并不总能融洽共存，后者往往是繁琐、无聊又精细的技术活。在一项复杂的现代实验中，要想将一次仪器伪造或日常事件和新的科学区分开可能绝非易事。我们的合作团队认为，要制订程序来证实一项潜在重大科学发现。这项工作不应该在可能作出了发现的时候完成，因为这时大家情绪激动，声誉也在利害攸关的时刻。制订证实程序应该在一次模拟训练中提前准备。

LIGO和Virgo模拟训练的基本规则很简单：我们得知，在2010年的观测过程中，少量（且可能为零）的模拟引力波信号（硬件注入）将被添加到数据中。每个实验都是通过监测远隔的两个星体之间的距离来寻找引力波。如果一道引力波经过，这些距离就可能会缩小或增大。硬件注入会用一个不稳定的磁场轻微干扰一个天体，使其发生约百亿万分之一米的位移，从而模拟两个天体之间距离的微小变化。最终出现在主数据通道中的信号看起来就像我们所期待的，来自一对正在合并的黑洞或中子星的信号。

两黑洞沿轨道运行产生的引力波插画

图片来源：Henze/NASA

我们不会事先接到提醒，事后也不会被告知——至少暂时不会。只有一个很小的“盲注小组”知道数据注入的时间和事件本质，并对此严格保密。团队里大约有五个人，他们知道如何在技术上执行注入。连许多高层管理人员都会被蒙在鼓里。盲注小组会在一些禁止进入的数据通道中留下证据，而我们其他人都被要求以名誉担保不去查看。

盲注小组之外的我们只有一个选择，就是把这些数据当成真的来对待。这真是让我们伤透了脑筋。表面上看起来，这就是我们花了二十多年苦苦寻觅的信号。如果信号是真的，那么我们就得玩命工作，尽快对它进行分析。

但我们也知道，确实存在这样一种可能，就是数据也许是假的。硬件盲注团队可能正在悄悄嘲笑我们的热情呢。这就好像在拍卖会上叫价一亿美元拍下一幅画，却始终无法确定它是不是赝品。我们都投入了前所未有的艰苦工作中，每一天都在愉悦与疲惫间摇摆。

这一次的努力会有回报吗？还是说它从头到尾就是个的玩笑？

真假引力波：2010年的假引力波信号（左图）和2015年的真信号（右图）。

图片来源：LOSC团队和LIGO科学合作组织

我们将这次事件戏称为“”，因为我们（后来发现是错误地）测得它的位置在大犬座的方向上（还因为当时《哈利·波特》里的小天狼星很受欢迎）。在接下来的六个月里，我们努力分析数据，并进行了一系列的硬件检查。我们开发了新的分析工具，以确认这个事件是否来自仪器，或者别的地面噪声。这个数据通过了每一个测试。

2003年的大犬座矮星系

图片来源：R. Ibata (Strasbourg Observatory, ULP) et al., 2MASS, NASA

我们写了一篇论文公布这个发现，我们中的一个人（阿兰）就是数据分析小组的组长和论文编辑。我们为了论文的标题斟词酌句：首次探测？首次观察？发现？证据？有1993年的诺贝尔奖研究在前（见下文），我们还能声称“首次探测”吗？我们的合作规模很大，意见也非常分散。有人希望尽可能谨慎，只宣称“证据”，而不说“探测”；有人坚持要求推迟发布论文，直到观察到更多的事件；还有人希望大胆一些，他们认为我们已经有足够的信心，不必在声明中含糊其辞，泛泛而谈。

几百位同事加入进来，每个单词都会引发没完没了的讨论和争辩。让700名存疑的科学家在一篇论文的每个字和所要求的置信度上都达成一致，这可是一项艰巨的任务，还包含了复杂的社会学。（确实有位社会学家哈里·柯林斯（Harry Collins）写了两本书，讨论引力波研究团队如何接受或反对观测声明中的种种说法。）最后，我们将论文题目定为“对来自一次双黑洞合并的引力波的直接观测证据”（Evidence for the Direct Detection of Gravitational Waves from a Black Hole Binary Coalescence）。你几乎可以从这个标题中看到种种妥协。

全球的引力波探测点

图片来源：Caltech/MIT/LIGO Lab

2011年3月，我们在加利福尼亚州阿卡迪亚附近的一个酒店里集合，检查所有的证据和论文草稿，并投票决定是否向期刊投稿。现场有三百多人，还有一百多人通过网络远程参加。我们带来了许多香槟。我们进行讨论。我们投票通过了论文草稿。一个个演讲回顾了我们所走过的漫漫征途，从建立不可思议的探测器，到找到信号，再到最终执行整个流程，声明探测结果。我们打开了香槟。

随后，LIGO实验室主任杰伊·马克思（Jay Marx）走上了讲台。六个多月以来，他口袋里一直揣着一个破破烂烂的信封。现在他马上就要打开它，告诉我们这全过程究竟是不是一场闹剧。

如果你下班回家，声称“今天我看到一群大雁飞过天空”，几乎没有人会怀疑你。但如果你说，“今天我看到有龙飞过天空”，你的家人会相信你的故事吗？你会需要多少证据？

假如你真的看到了龙，但这个事件只是一次性的呢？

当时，我们就准备基于这一个孤立事件，宣布成功探测了引力波。我们不知道引力波出现的可能性有多低，很有可能它们实在太过罕见，我们一辈子都等不到下一次。要多少证据才够？物理学中有一个普遍原则，就是新发现要达到“5个标准差”的置信度，即这个事件不太可能由噪声扰动导致，置信度超过99.9999%。我们计算出，这次事件的信号强度很大，甚至大于LIGO和Virgo在几千年的观测中可能遇到的最强烈、最罕见的噪声扰动。

目前为止，一切顺利。但是，有量化的证据证明信号并非噪声，不等同于有量化的证据证明它是真实的。实际上，由于从来没有人直接观测到引力波，我们其实没有办法肯定地说它是真的。也许引力波并不存在，也没有可以让我们探测的天体物理信号。如果你相信这一点，那么你就会否定我们的信号，认为它来自噪音或故障，无论那有多么不可能。

图片来源：Nautilus

什么时候应该相信，这是科学领域中一个深刻而古老的问题。它没有一个普适的答案，要评估任何一个潜在发现的价值，都要考虑到到相关人员的先验信念。这是一个无法回避的问题。

那么，我们的先验信念是什么呢？在1975年，根据射电天文学家拉塞尔·赫尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）的观测，已有显著而令人信服的证据表明引力波的存在（两人因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖）。他们观察到一对高密度中子星彼此绕转，并失去轨道能。爱因斯坦的理论预言引力波会带走轨道能，引发赫尔斯和泰勒所观察到的现象。因此，射电天文学的观察证据说明，引力波很可能是存在的。

1993年获得诺贝尔物理学奖时的拉塞尔·赫尔斯与约瑟夫·泰勒

图片来源：timetoast.com

在观测引力波所需的仪器灵敏度方面，我们就不那么确定了。在2010年，LIGO和Virgo还都是“探路者”——我们猜测，它们的灵敏度也许不足以探测双星融合所产生的引力波，但能为我们提供无价的信息来设计下一代更先进的探测器。我们还知道，这两个天文台和它们的地面环境有着种种缺陷，有可能产生干扰信号，看起来就像来自外太空的引力波信号，但愿这个可能性很小。我们的研究中的软件流水足够复杂，所以也有可能出现罕见的故障模式。

LIGO位于利文斯顿的观测基地

图片来源：Caltech/MIT/LIGO Lab

总的来说，我们的先验信念是好坏参半的。这样的混合中容易产生两种有问题的方法，来解释这一新观察到（且可能为假）的事件：尝试否定它（如果它不能被证明是假的，那么就是真的），或尝试高估它（如果它真的是一个新事物，我们就无法确定自己到底在找什么，所以最好睁大眼睛，寻找可能为真的一切证据）。两种方法都危险地有失偏颇，因为它们都试图寻找一方面的证据，而忽略另一方面。我们真正的目标是使偏见最小化，避免一切有意的否定或高估。

这就是假信号注入的高明之处：无论某个科学家的先验信念是什么，这项操作都给了他或她一个怀疑的理由。如果一个科学家认为目前的仪器还不足以完成这项工作，他也得接受它有能力完成工作的可能性；如果一个科学家倾向于高估一个信号，因为一次真实的探测可能带来种种好处，他也必须压抑自己的热情，以免作出错误的结论。

盲注强迫我们保持开放的头脑，运用怀疑态度和理性，来评估证据的表面价值。

所以，在2011年的阿卡迪亚，当杰伊·马克思打开信封，告诉我们“”其实是个大乌龙，而我们刚刚完成了引力波观测史上第一次成功的模拟训练时，我们仍然把它当成了一个庆功会。我们举起香槟，为虚幻的成功干杯。那是一种奇异的空虚感。

但是很显然，“”仍然带来了不少进展，比如它提高了我们仅根据引力波信号测量来源物体（中子星或黑洞）质量的能力。最重要的是，在该采用什么标准和如何使误差最小化两个问题上，合作团队第一次达成了一致。也是第一次，我们认为有足够的证据表明我们成功探测了引力波。

很难说这到底有多重要。过去的一些引力波实验受到了夸大其词的损害，而LIGO与Virgo的合作规模空前，导致在评估标准上很难达成一致意见。直到2011年之前，我们都无法确定什么程度的证据才算是充分的。

现在，一个假信号终于让我们感觉到，我们已经准备好迎接真正的成功了。

2015年9月，“”事件已经过去了几乎整整五年，此时我们的低延时线路警报再次响起。这次是德国汉诺威市阿尔伯特·爱因斯坦研究所（Albert Einstein Institute）的研究人员最先发现，他们给整个合作团队发了一封邮件，主题是“非常有趣的事件”。我还记得，当时我打开电脑，发现邮箱已经被塞得满满当当。我放弃查看邮件，给一个同事打了个电话。他给我发来一个结果页（那个页面的代码还是我协助完成的），上面显示了一个明显的啁啾信号。我感到一阵战栗。我将眼睛闭上又睁开，仔细看了看，然后一跃而起，在房间里又蹦又跳。妻子问我：“怎么了？”我说：“好吧，我不确定，但我觉得我们发现了引力波。”

2015年5月时，LIGO位于利文斯顿的监测站

图片来源： Caltech/MIT/LIGO Lab

从2010年到2015年，汉福德天文台和利文斯顿天文台里最早的LIGO探测器都已经被拆除，在原址新建了更先进的LIGO探测器。这些新的探测器包含了一系列的改进，这一切都是为了增加仪器的灵敏度，提高探测的成功率。改进措施包括安装更大的反射镜，功率更强的激光，还有更好的减震反馈环路。它们不再用线缆悬挂测试质量，而是采用了纤细的玻璃纤维，不受热扰动的影响。这些改进的目的是将LIGO的探测范围增大十倍，从而将它可探测的宇宙空间增大一千倍，以更好地搜寻罕见的事件。

2015年八月底，我们开始了一次工程试运行（目的是对仪器进行测试，而不是收集数据），并计划在9月18日正式开始第一轮观察。试运行期间不会进行盲注。到9月12日，探测器已经运作平稳，并保持良好的灵敏度，所以我们让它们不受干扰地观测天空。

它来自太空：这张南半球天图上展示了2015年9月14日探测到的引力波来源。不同颜色的线条表示不同的置信度，紫色为90%，黄色为10%。

图片来源：LIGO/Axel Mellinger

这是件好事。2015年9月14日凌晨，我们的探测器和相关的搜索软件流水识别出一次事件，来自13亿光年外的双黑洞融合。这个信号很强，而且显然不是来自探测器或地面噪声，置信度高于99.9999%。天呐……就在探测器刚刚开始运行不久，而且强度那么大。大自然真的那么仁慈吗？我们将这次事件命名为GW150914。

——但是，它会不会是来自盲注，尽管本来不应该有？

几个小时内，我们中的许多人（包括阿兰）召开了一次电话会议来讨论这个问题。麦克·兰德里（Mike Landry）也在会议中，2010年时他是盲注团队的一员。他说，试运行期间盲注团队没有参与，那不是盲注。如果那次发现来得再晚几天，在我们的观测期间内，盲注团队可能就会活跃起来，而且他可能也已经发誓遵守保密规定。但在当时，盲注不是行动选项。我们还是对他有所怀疑。我们请求查看那个机密的盲注数据通道，得到的回答是“尽管去吧”。

我们查看了通道，什么也没找到。负责硬件注入的物理学家杰夫·吉赛尔（Jeff Kissel）在我们的电子日志中这样写道：“在G184098候选事件中没有瞬态注射。”

那是他写过的最短的一篇电子日志。后来它赢得了年度最佳电子日志奖。

好吧，但它会不会来自黑客入侵？也许是哪个博学多才但心怀鬼胎的同事或前雇员在怨念地捣鬼，他们知道一次错误的注入能让前同事们倒大霉。这件事不容易办到，但也不容易排除。黑客需要做对很多事情——信号波形要精确符合；注入两台探测器的信号需要在时间、振幅和相位上完全一致（而这两台探测器相隔两千公里）；而且，所有的数据通道，不管秘密的还是公开的，都必须不留痕迹。我们检查了几十个数据通道，没有发现和任何形式的硬件注入相符的痕迹。

LIGO位于利文斯顿的双子探测器收到的引力波信号

图片来源： Caltech/MIT/LIGO Lab

于是，我们就得出了期待已久的结论：这次不是演习。分析工作开始了。我们的起点就是2010年的探测。我们重复利用了那次探测的任务清单，沿用了原先的探测小组框架，着手分析新的数据。我们还用上了在参数评估方面积累的经验（即计算双星合并的质量、自旋等其他特征的能力）。

我们记忆中2015年刚刚作出发现的那几天平静得出奇。在巨大的压力下，我们的同事们按照流程努力工作，作出了优秀的成果。这就是2010年那次演习所带来的最好的回报。我们已经有了处理高风险数据的经验，同时对流程、证据和同事充满信心。如果这是我们第一次接触到一个“真实”的信号，怀疑、紧张、焦虑和哲学上的争论可能让我们永远无法肯定地说出那一句“这是真的”。通过学习建构我们找到了假信号的证据，我们学会了如何找到一个真信号。那次模拟训练教会我们如何运用一系列的证据，相信不可思议的事情。

LIGO发现的两次引力波信号来源，背景为南半球天图

图片来源：LIGO/Axel Mellinger

有趣的是，“我们什么时候才算有足够的证据”这个问题还是重新出现了。一些研究人员辩称，在观测到下一次黑洞融合之前，我们都不该宣称进行了成功的探测！按照这个思路，如果我们从来没有观测到第二次事件，又该如何知道第一次事件不是出于侥幸呢？这个问题引发了争论，因为改进后的探测器刚刚开始运行。有人认为我们需要用新的探测器积累更多的经验，以理解噪声和仪器故障的模式。还有人指出，如果我们仅仅在观测几天后就得到了真信号，那么这个概率似乎足够大，我们应该能观测到更多的事件。幸运的是，大自然给了我们一个机会。第二次可能的探测发生在10月12日，离第一次发现还不到一个月。这两次发现几乎说服了所有人，认为我们已经有了足够的证据来发表论文。更让人喜出望外的是，十二月底又出现了一次无法否认的成功探测，打消了所有的疑虑。

在探测到GW150914之后五个月，我们写了十几篇相关论文（参见papers.ligo.org），其中的主著论文被发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。2016年2月，我们在美国国家科学基金会（NSF）总部召开发布会，宣布发现了引力波。

（当时果壳的报道：科学家直接探测到引力波了：“大新闻”到底说了个啥）

这一次，庆功会上不再有那种空虚的感觉了。

本文由 Nautilus 授权果壳网（guokr.com）编译发表，严禁转载。 

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