時空的漣漪：我們或將5年內檢測到引力波

　　時空的漣漪：我們或將5年內檢測到引力波
2015年06月01日   

　　

　　1997年，一套真空罐運抵華盛頓州漢福德

　　

　　到1998年2月份，真空設備已經在L型設施的一端安裝。中央豎起的罐子中安裝的是分束器

　　

　　厚4英寸，直徑10英寸的反光鏡，它將被安裝在長長管路的末端用於反射激光。經過嚴格拋光的鏡面上塗有35層紫色介電塗層，以便達到LIGO對於光線反射的苛刻要求

　　

　　構成LIGO的兩台大型設施之一。這一台位於華盛頓州漢福德，由兩條各長4公里的管路構成一個巨大的L型

　　新浪科技訊 北京時間6月1日消息，據物理學家組織網站報道，引力波是根據愛因斯坦在1916年提出的理論預言存在的一種現象，它是時空的漣漪。而美國國家科學基金會(NSF)迄今資助的最為雄心勃勃的計劃便是一項名為「激光干涉引力波觀測台」(LIGO)的項目。LIGO包括兩台L型的干涉儀，各自擁有長達4公里的長長軌道。而在軌道的盡頭懸挂有鏡片，這些鏡片的運動被以相當於一個質子直徑1/1000的精度進行測量記錄。這項史無前例的項目是由美國加州理工學院和麻省理工學院聯合實施的，初期的LIGO設施於2001年開始投入運行，而經過升級，技術更加先進的LIGO設施則於近日(5月19日)開始投入運行。

　　巴里·巴里希(Barry Barish)是一位已退休的著名物理學教授，在1994年~1997年之間曾經擔任LIGO項目的首席科學家，並在1997年~2006年間擔任LIGO項目主管一職。斯坦·維特康姆(Stan Whitcomb)在1980年~1985年之間擔任加州理工學院助理教授並在1991年返回校園擔任專業教職並在那之後多方參與到LIGO項目之中。以下便是對這兩位專家的採訪問答：

　　問：LIGO項目是如何開始的？

　　巴里希：愛因斯坦並不認為引力波是可以被探測到的，因為引力太弱了。但在上世紀60年代，馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)使用整整一公噸的鋁材製成了一根153厘米長的金屬棒。這根金屬棒的天然頻率是大約1000Hz。 崩塌的超新星會產生處於這一頻率的引力波，如果這樣的引力波穿過這根金屬棒，金屬棒產生的共振效應或許可以對信號進行足夠的放大，從而讓我們能夠測量到。 這是一個非常天才的想法，並且基本可以說是在實驗學上開啟了這一領域的研究。然而你所能製造的金屬棒尺寸畢竟有限，而且你能觀測到的信號也在很大程度上取 決於你的探測器規模有多大。

　　我們後來從英國格拉斯哥大學招募來的物理學教授榮·德雷弗(Ron Drever)開始著手在這一棒狀探測器項目上繼續向前推進。然而當我們雇傭他時，他正和MIT的萊納·維斯(Rainer Weiss)各自獨立地進行著干涉儀型探測器的開發——這是此前由他人率先提出的想法。一般情況下你會牢牢固定你的鏡子這樣它們才不會亂晃，但在LIGO中使用的反射鏡必須是能夠自由晃動的，這樣引力波效應才能推動它。要想將非常巨大而笨重的設施與非常高精度的測量相結合是一件非常困難的任務。

　　維特康姆：儘管棒狀探測器方案似乎是當前看來靈敏度最高的方案，但要想最終達到探測器所需要的靈敏度，其實現的難度要大得多。吉普·索恩(Kip Thorne)非常明智地讓加州理工轉而進行干涉儀型探測器方案的開發並在那之後不斷予以推動。

　　榮在格拉斯哥大學的團隊已經建造了一台長10米的干涉儀型探測器，這已經是他們所擁有的全部空間了。而我們根據他們的設計，建造了一台長40米 的探測器，但在建造的過程中儘可能的對原設計進行了改進。那段時間我們整天與氬離子激光打交道，這在當時是最好的選擇，但同時也非常危險。使用時，冷卻水 會向系統引入很嚴重的震動干擾，導致我們難以達到原先設計的靈敏度目標。我們還需要設計控制系統，在當時的條件下我們必須採用模擬電路。並且我們還獲得了 首批「超級鏡面」。這些實際上都屬於軍事技術，但我們成功地將其轉為科學用途。干涉設施的延展越長，它的靈敏度就越高，而整個設施的有效長度便是光線在其 中累計距離。我們會讓光線在管道中往返反射數百次，從而使其干涉效應與一台長度數千公里的干涉儀靈敏度相當。

　　問：與麻省理工的合作是從何時開始的？

　　巴里希：維斯和德雷弗當時分別在MIT和加州理工運行著各自研發的項目，直到物理學教授，加州理工學院的教務長羅比·沃格特(Robbie Vogt)將他們兩人帶到了一起。這兩人對待世界的態度迥異，但羅比不知如何，最終成功地讓這兩人攜手開展合作。

　　於是羅比立即著手撰寫提交給國家科學基金會的項目提案，時間是1989年。那份分為兩卷，厚達300頁的文件中包含了一些關鍵性的設想，技術和概念——它們正是如今LIGO設施的基礎。儘管相比當時的設計，今天的LIGO設施在很多細節方面已經有所不同，很多東西已經被設計出來，但最基本的東西仍然源自當年的那份框架文件。

　　維特康姆：當我在1991年回歸時，LIGO已經成為一項由加州理工與麻省理工共同實施的聯合項目，但它只有一名主管，那就是羅比·沃格特。羅比當時找來很多工程師，其中很大一部分是從噴氣推進實驗室(JPL)租借來或是招募來的，這些人將進行具體的工程設計。已故的伯德·摩爾(Boude Moore)是我們聘請的真空工程師，他設計了如何利用低氫不鏽鋼材料建造LIGO設 施高真空系統的方案。這是此前從未遇到過的問題。金屬中吸收的氫原子會在整個系統的生命周期內緩慢排出，但我們的這一系統靈敏度非常高，只要有一個流浪原 子碰到我們的鏡子都會引發數據誤差。而伯德所從事的是一些相對大尺度上的測試工作，主要是在同步加速器建築內部，但我們也在加州理工的足球場旁邊建造了一 台80米長的測試原型，就在體育館的後面。

　　於是所有各項測試便在不同的地點零散地開展起來了，並且在40米的干涉儀型探測器上實現了整合。當時我們使用的仍然主要是模擬電路，但我們有了一台新的真空系統。隨後我們重新設計了懸挂系統並在探測器中增加了幾項新的功能，此時我們擁有了所需的靈敏度指標，為建造4公里管道長度的大型探測器LIGO做好了準備。最後，也是在1991年，我們得到反饋消息，國家科學基金會批准了我們建造這一超級設施的計劃。

　　問：華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的列文斯頓這兩處地點是如何選定的？

　　維特康姆：我和LIGO項目的首席工程師比爾·阿特豪斯(Bill Althouse) 共同負責地點評估委員會的工作。我們拜訪了大多數的候選地點並對它們開展評估，並向國家科學基金會提交一份推薦地點名錄。我們有著一系列的評定標準。工程 方面的標準包括地面的平整性，在結冰條件下土地的膨脹隆起效應，需要額外修建多少道路以及整體施工成本等等。另外我們還要考慮場址距離人口居住區的距離遠 近，以及鐵路或機場這樣潛在的干擾來源。我們在科學方面也有判定依據，比如說我們希望這兩個最終選定的地點之間能夠儘可能的遠。我們也希望LIGO的位置能夠確保它未來也可以與歐洲提出的的兩大探測器方案——GEO(位於德國漢諾威)以及Virgo(位於義大利突斯卡尼)之間能夠開展協同觀測。我們需要能夠利用三角法測定一個信號源在天空中的位置，因此我們不希望LIGO的兩個位置與這兩個歐洲項目中的任何一個處在同一條直線上。

　　問：為何升級后的LIGO變得更加靈敏了？

　　巴里希：好的，這其中的原因比較複雜。大多數靈敏度非常高的物理學實驗項目都是由於背景干擾的存在而使其性能受到了限制，因此你需要將注意力集中在這一方面並想辦法消除或降低這種干擾。但相比之下，LIGO則面臨著三方面的局限性：我們正在嘗試在10Hz~10KHz之間的廣闊波段中搜尋引力波可能留下的蛛絲馬跡。我們的地球是一個難以置信的震動來源，因此在10Hz到大約100Hz之 間的頻率上，我們必須設法將自己與這種來自地球的天然震動進行隔絕。另外在非常高的頻率上，我們的取樣速度必須足夠快，以便能夠獲取信號，這樣一來我們就 受到了來自激光功率大小的限制因此它決定了我們能夠在極短時間內獲取的光子數量。而在中等頻率區，我們還要受到我們稱之為「熱干擾」的信號制約，那是因為 我們使用的反射鏡自身內部的原子也存在運動。

　　升級后的新版LIGO設施安裝了功率強勁地多的激光系統用於應對高頻率方面的需求；我們改進了隔絕系統，包括自動補償系統來應對來自地球的本底震動信號干擾；另外我們有了更大的實驗載荷並使用了更好的反射鏡塗層，確保將熱干擾信號降到最低。所有這些改進在1989年的那份文件中都有。當時那份文件中建議我們使用當時已經成熟的技術來建造LIGO設施，那些技術都已經在40米試驗設施上進行了驗證。而現在建成的升級版LIGO設施也同樣是應用了在初始版LIGO投入運行之後我們在40米試驗設施上檢驗得到的新技術。而現在我們正在40米試驗設施上開展新一輪試驗，從而為下一次的技術升級做好準備。

　　問：你認為距離探測到引力波信號還有多遠？

　　巴里希：我一直以來都非常希望我們能夠在2016年就能探測到引力波信號，因為那是愛因斯坦發表有關理論的100周年紀念。然而升級后的LIGO設施將需要大約3~5年的時間才能達到其設計靈敏度，但我們在此期間也會不斷收集數據，因此我們取得發現的機會將不斷增大。根據設計，升級后的系統靈敏度和檢測概率都將得到大幅提升。靈敏度意味著你能夠探測到多遠的信號，並且這種探測空間的增加是以距離的三次方進行的。

　　當我們從1989年起步時，一些人對此持有懷疑態度，認為這可能又是一項跟核聚變類似的項目。他們一直認為人類距離實現核聚變還有至少50年的時間。而對於LIGO，一般的看法是認為我們距離探測到引力波還有大約10年的時間，但我認為可能並不需要10年那麼久，或許5年之內我們就將迎來曙光