捕捉引力波背後的故事：「外星人」來電中的引力波
1960年代是一個屬於年輕人的癲狂時代。英國的披頭士（Beatles）樂隊風靡半個地球，美國的嬉皮一代在反戰、吸毒、搖滾樂中頹廢，法國大學生走上街頭，中國紅衛兵掀開文化大革命的序幕。在英國的劍橋大學，24歲的研究生貝爾（Jocelyn Bell）卻把她的青春賦予埋電杆、拉電線。
麥克斯韋爾通過他的方程組揭示出光只是一定頻率段的電磁波後，一直在仰「望」星空的天文學家意識到我們不僅可以用眼睛看星星，應該也能接收到來自外星球的其它頻率的電磁波。不過，這些電磁波絕大部分被地球的大氣層吸收，不能抵達地面。（對人類來說這不是遺憾而是幸運，否則我們會因為輻射而得各種疾病，有性命之憂。）在人造衛星之前，除了少量高空氣球試驗，地面上能接收的電磁波只是處於無線電波段的一部分。利用這部分電磁信號的研究叫做「射電天文學」。
1960年代初，天文學家用射電望遠鏡發現了「類星體」（quasar）——有很強無線電輻射的一種未知星體。貝爾的導師休伊什（Antony Hewish）希望做這方面的研究，卻沒有多少資金。他只好找學生在一片將近兩萬平方米的空地上豎起一千根電杆，拉上總長近二百公里的電線，成為自己山寨的射電望遠鏡。
24歲的貝爾和她用來測量宇宙射電的天線陣
包括貝爾在內的五六個學生花了兩年時間才完成這個工程。1967年夏天，她整天把頭埋在沒完沒了的記錄紙中，察看紙上記錄的那些晾衣繩一般的天線上接收到的電波，辨認著來自類星體的信號。幾個星期後，她突然注意到一個不尋常：有一連串的電脈衝非常有規律地每隔1.33秒出現。她連續跟蹤了幾天，發現它總是在天線陣對著天空同一方位時出現。很快，她們確定了該信號來自太陽系之外，不是地球人的作為。這麼規律、高頻的信號在天文觀測中還從來沒有過先例，最可能的……莫非是有外星人在給地球發電報？
貝爾在記錄紙上電波圖中找到的第一個脈衝星信號系列
他們依據科幻藝術中慣常的形象把這個信號命名為「小綠人」（Little Green Men）。
貝爾很懊惱。她一門心思只在儘快收集到足夠類星體的數據好完成博士論文，小綠人來搗這麼個亂純粹是節外生枝。休伊什召集了一些專家開會，商議如果證實發現外星人如何知會政府、告知公眾。貝爾則回到她的小屋子，再度埋頭於記錄紙堆。功夫不負有心人，她在過去的紙卷中又找出了另外三組類似的脈衝系列，分別來自完全不同的太空方位。她長舒一口氣：這不會是天外文明，因為彼此相距幾億光年的四撥小綠人不可能不約而同地採用同樣的方式來找地球人聯絡。
通過對太陽和其它恆星的光譜觀測，結合第二次世界大戰前後發展的核物理知識，科學家這時已經知道恆星內部基本上全是氫。這些巨大的「氫氣球」在自身引力的重壓下內部形成極高溫而發生持續的熱核反應：氫聚變成氦並釋放出光和熱。核反應產生的能量抵擋了重力，形成動態平衡。所以恆星看起來非常穩定，夜復一夜地發光。但氫燃料總會有耗盡的一天。一旦熱核反應終止，整個恆星便會在重力壓迫下急劇塌縮。越大、也就越重的星塌縮得越劇烈。我們太陽一般大小的恆星會塌縮成「白矮星」、再大一些的塌縮成「中子星」、而更為巨大的恆星就會塌縮成「黑洞」。
貝爾發現的，就是中子星。
當星球塌縮的壓力足夠摧毀原子的結構時，電子會被擠進原子核與質子合併成為中子。於是整個星球變得完全由中子組成。作為燃料耗盡「死亡」了的星球，中子星基本上不再發光，無法用光學天文望遠鏡觀察到。但有些中子星還會有很強的磁場，轉動時會發射電磁波。與地球類似，中子星磁場的南北極不一定與其自轉軸的南北極重合，會有一個偏角。當電磁波順著磁極方向往外發射時，這個無線電波束隨星體自轉便在宇宙中轉圈掃描，有如旋轉燈塔里發出的探照燈光束。如果地球恰巧被這個波束掃中，就會接收到一個電脈衝。貝爾發現的第一組信號就是這樣的一顆中子星，它每四秒鐘就自轉三圈，於是貝爾的紙帶上每1.33秒出現一個脈衝記錄。
脈衝星示意圖。垂直的綠線是脈衝星自轉軸，白色曲線是磁力線，藍色的「光束」是脈衝信號發射方向。隨著星體的自轉，「光束」像探照燈般轉圈掃描。
我們地球自轉周期是24小時，基本上很穩定。這是因為宇宙空間沒有摩擦力，自轉不會自己變快變慢。只是地球的自轉會受到月球、其它行星還有自身地震等因素影響，不是完全一成不變。中子星很孤獨，它們的高速自轉除了發射無線電波損失能量和自身偶爾的「地震」這些可忽略的影響外，完全沒有干擾。因此它們的信號周期異常地穩定，精確度高於地球上當時最準確的鐘錶。
休伊什把它叫做「脈動中的星」，並生造了一個英文詞「pulsar」（脈衝星）來命名。這個詞很快被用作美國第一款電子錶的牌子，以彰顯該表的精度。直到今天，它還作為汽車、摩托車的品牌出現在大眾視野。
排除外星人的干擾後，貝爾終於完成了她的博士論文。論文主題是類星體，脈衝星只在最後的附錄中提到。但她的這個近乎偶然的發現卻開創了天文學一個嶄新的領域。1974年，休伊什榮獲諾貝爾獎。評委們卻沒有考慮過貝爾是否也應該分享這份榮耀。
脈衝星發現的論文發表後，立刻引起了美國一位年輕人的注意。26歲的泰勒（Joseph Taylor）剛剛從哈佛獲得博士學位，立刻決定改變研究方向，一頭扎進尋找脈衝星的熱潮中。
當時恰好美國領地波多黎各島上的阿雷西博（Arecibo）射電望遠鏡落成。這是一個超大型的射電望遠鏡，順著山勢建設，其拋物型天線口徑達305米。它在建成後半個世紀中一直保持世界之最，直到2016年被中國貴州的500米口徑望遠鏡（FAST）超越。暫時還未能被取代的是它的電影明星地位：1995年邦德（James Bond）諜戰片《黃金眼》（GoldenEye）中，007與叛變的006便是在阿雷西博望遠鏡上決鬥。
阿雷西博望遠鏡主要由美國康奈爾大學主持設計管理，初衷是研究地球高空電離層物理，但脈衝星的發現改變了她的使命。1970年代初，島上聚集了一群康奈爾大學天文學研究生，發揮各種技能研究脈衝星。其中有泰勒的研究生赫爾斯（Russel Hulse）。
他們有這個強大的望遠鏡，可以探測到非常微弱的信號。他們更不再需要像貝爾那樣肉眼尋找紙帶上的蛛絲馬跡，而是用計算機程序做自動分析。這樣，赫爾斯平均每十天就能發現一顆新的脈衝星。原來整個宇宙都遍布著一直在給我們發電報的「小綠人」。而還有更多的中子星我們觀測不到，因為它們或者沒有強磁場或者他們發出的電波束沒有掃描到地球。
最引起赫爾斯注意的是1974年夏天他發現的一顆星。這顆星自轉極快，周期是0.059秒，也就是一秒鐘內它就轉了17圈！更奇的是它這個自轉周期並不像其它脈衝星那麼精確，過兩星期後再測時發現有接近萬分之一秒的改變。赫爾斯沒有對這微小的偏差掉以輕心，而是持續跟蹤測量，終於發現這個偏差本身也有自己的周期性：似乎那顆星的自轉會慢慢地變慢，然後又慢慢地恢復，然後慢慢地變快，然後慢慢恢復……如此循環往複。怎麼會出現這樣的情形呢？
赫爾斯恍然大悟：不是這顆星的自轉周期在變化，而是它自己在相對地球作周期性的運動。因為物理學中熟知的「多普勒效應」，相對運動中物體發出的信號頻率會有變化。如果該星在朝向地球而來，它後來發出的信號走的路要比先前發的稍微短一些，這樣測到的脈衝周期就顯得在變短；反之，它離開地球遠去時，我們測得的脈衝周期就越來越長。
那麼，這顆星為什麼會自己這麼來回運動呢？其實，它是在繞著另一顆星公轉。那顆星恰好我們在地球上觀測不到。
赫爾斯發現了第一個雙中子星系統。
雖然他們手上的數據極其有限：一顆星看不見，一無所知；一顆只能收到它自轉的脈衝信號，但泰勒和赫爾斯憑藉這點線索便能推算出很多名堂：從周期變慢和周期變快的時間差他們知道軌道不是圓形，而是很長很扁的橢圓。這個橢圓軌道自身也在「進動」。根據多普勒效應，從信號的微小變化又可以計算出軌道速度。從這些軌道參數又可以推算出中子星的質量，包括那顆看不見的中子星的質量。
經過這一系列的推演，他們發現這兩顆星的質量差不多，都接近於一個半太陽。半徑則只有10公里左右（可見其塌縮的程度）。它們之間的距離最遠時有三百多萬公里，最近時約75萬公里（這個距離差不多是我們太陽的半徑）。而它們公轉的軌道速度異常快，達到光速的千分之一。如此的質量密度，如此相近的距離，如此之快的速度，它們是檢驗愛因斯坦相對論的天然實驗室。泰勒和赫爾斯發現理論的預測與他們的測量結果符合的相當完美。赫爾斯以此工作順利地獲取了博士學位。
赫爾斯離開後，泰勒與新來的博士後韋斯伯格（Joel Weisberg）繼續研究這個少見的雙子星。他們再度腦洞大開：這不也是一個檢驗引力波的現成實驗室嗎？
1911年，英國物理學家盧瑟福（Ernest Rutherford）通過散射實驗發現原子是由原子核和電子組成時，他提出了新的原子模型：電子在原子核的外圍軌道上圍繞原子核旋轉，就像行星圍繞太陽公轉一樣。這個圖像後來被廣泛引用於各種與原子或電有關的標誌中。
可是這個模型有一個致命的缺陷：電子的運動會產生電磁波，造成能量損失。因此電子的速度會越來越慢，軌道越來越小，最終湮沒於原子核中。因此這個模型不穩定，不可能實際存在。這個困難直到量子力學的建立，將經典的電子軌道改成量子的電子態才得以解決。
廣義相對論中的引力波與電磁波類似。行星圍繞恆星的運動也會因為發射引力波而失去能量，行星軌道也應該隨之萎縮。好在我們生存的地球質量小、速度低，其軌道運動所發出的引力波微乎極微，無法察覺。（地球因為引力波的耗散而失去軌道穩定的過程至少需要1014億年。我們不必為此操心，因為宇宙的年齡也不過100多億年，而我們在地球上賴以生存的太陽本身的壽命也只還剩下50億年。）
有意思的是，早在1930年代，當物理學家還在爭論引力波是否存在、能否傳遞能量時，理想化的雙星系統也是他們研究的焦點之一。因為廣義相對論方程的複雜性，專家們計算出完全不同的結果：有人說雙星會釋放引力波耗能而發生軌道衰減；有人則完全相反，說它們其實會從外界吸收引力波能量，軌道反而會擴張。正如費曼所評論的那樣，沒有實驗數據做參照時，理論家只能莫衷一是。
中國理論物理學家胡寧也是那場爭論中的一員。1947年，胡寧在愛爾蘭做博士後時研究了雙星引力波問題。他最先在都柏林王家學院宣讀論文時說引力波會導致軌道衰減，但在正式發表論文時又附加了一個更正，表示原來計算有錯，符號反了——雙星系統其實會吸收引力波而導致軌道擴大。直到1979年，已經是北京大學教授的胡寧在義大利的學術會議上再度發表論文，再度糾正三十多年前的結論。他解釋說當初的錯誤在於選錯了邊界條件。
泰勒和韋斯伯格在1978年想到這個問題時，已經不再有理論上的爭議。按照他們已知的中子星質量和軌道參數，廣義相對論指出，因為引力波的能量損失，兩個星星的平均距離會在一年內減小3.5米、公轉周期減少76.5微秒（0.0000765秒）。雖然這些數值非常微小，卻已經是可以用阿雷西博測量出來的了。果然，他們證實了廣義相對論的推斷。同時，物理學家終於可以確信無疑：引力波的確是存在的。
自那以後二十多年，韋斯伯格一直在跟蹤測量這個雙子星的軌道，可以持續看到軌道越來越明顯的縮小，與廣義相對論的預測驚人的一致。隨著時間的推移，這兩顆星將越來越快地加速接近，直到最後直接碰撞而合併。
雙中子星因為引力波輻射的軌道衰減的測量結果（數據點）和廣義相對論的理論預測（曲線）的比較。
1993年，泰勒和赫爾斯因為他們的發現獲得了諾貝爾獎。韋斯伯格榜上無名。
愛因斯坦在1915年提出廣義相對論時，就已經通過了光線彎曲和水星近日點進動兩大檢驗。在那之後，這個理論相繼在引力鐘慢、引力紅移、中子雙星軌道等實驗中完美地經受了考驗。泰勒和韋斯伯格的測量，不僅是人類第一次間接地證明了引力波的存在，而且再次確立了廣義相對論的不朽地位。
這一切，都起源於1967年夏天那個令貝爾頗為煩惱的小綠人給地球發來的電波。
與此同時，泰勒、赫爾斯、韋斯伯格和他們的同行們已經在我們的銀河系中發現了兩千多個脈衝星，其中幾十個屬於雙星系統。在那之外還有眾多我們無法觀測到的中子星、雙星。我們現在確定地知道這些雙星的軌道運動會生成引力波，只是過於微弱，地球上現有的設備還無法直接測量出來。
但我們也更加知道，雙星的軌道在衰減、在縮小。茫茫廣宇中，應該有很多雙中子星、甚至雙黑洞正在急劇地加速接近，遲早會發生碰撞，或者已經發生了碰撞、合併。這會是異常劇烈的天文事件。它們會激發出引力波的「海嘯」，奔向我們的地球，也許會攜帶著足夠的能量可以為人類所測知。
只是，地球上期待著聆聽這天籟之音的韋斯——和他的朋友索恩、布拉金斯基、德瑞福們——準備好了么？
（待續）
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