“引力波”成功发现的背后究竟藏着什么?

——探密LIGO科学合作组织
作者:水钰来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-17

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  也许你们这一代会看见,做梦都想不到的奇景。

  ——卡尔•萨根《暗淡蓝点》

  1915年,一位犹太裔物理学家创立了“迄今为止最伟大的科学发现”——广义相对论。凭借令人惊叹地证实过程和极其优美的几何语言,广义相对论得到了无数科学家的认可与赞赏,并成为现代宇宙学中膨胀宇宙模型的理论基础。第二年,阿尔伯特•爱因斯坦逐渐完善了自己的这一理论,并在其中一篇论文中预言了引力波的存在。

  百余年来,爱因斯坦的理论一个接着一个地被人们证实,只剩下了广义相对论中的最后一个预言——引力波的存在。即便如此,科学家们依旧没有放弃希望,努力找寻着任何可能的依据。

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  美国LIGO科学合作组织

  直到2016年2月11日,距离爱因斯坦的预言已经整整过去了100年,美国LIGO科学合作组织和欧洲VIRGO天文台共同宣布:人类于2015年9月14日首次直接探测到了引力波。至此,科学家们对引力波的实验探寻已经超过了50年,由于引力波与物质之间的相互作用非常微弱,因此,就连爱因斯坦本人都曾怀疑过它是否真的能够被人类探测到。

  那么,在希望渺茫、技术落后的过去,是什么支撑着世界各国的科学家们孜孜不倦的寻找引力波呢?

  坚守不移——LIGO组织的由来

  这还要从1974年说起,美国普林斯顿大学的拉塞尔•赫尔斯和约瑟夫•泰勒发现了脉冲双星PSR 1913+16的轨道的演化遵守了引力波理论的预测(他们因此获得1993年诺贝尔物理学奖)——双星系统互相公转时会因不断发射引力波而失去能量,变得逐渐靠近。紧接着,他们陆续观察其他脉冲双星的轨道的演化也都符合引力波理论的预测,这些发现间接证实了爱因斯坦有关引力波的预言。

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  图一是正处于旋近态的双白矮星,后面是它们发生合并的想象图

  既然有人间接证实了引力波的存在,那么,为什么不制造一种仪器来探测它呢?

  其实,早在1962年,俄国物理学家麦可•葛特森希坦和弗拉基斯拉夫•普斯投沃特就在论文中提出建造干涉探测器来探测引力波的想法;1966年,于弗拉基米尔•布拉金斯基也曾提出过相似的设想;约瑟•韦伯、莱纳•魏斯同样独立发表了类似的构想。然而遗憾的是,这些探测引力波的想法并未获得有关方面的重视,直到罗伯特•弗尔沃德的出现。

  作为约瑟•韦伯的学生,罗伯特•弗尔沃德在美国休斯研究实验室工作时还得到了莱纳•魏斯的鼓励。也许是在两位学者的潜移默化中,罗伯特•弗尔沃德决定利用休斯研究实验室的经费来制造一台干涉探测仪器。1971年,一个臂长8.5m的雏型引力波干涉仪制作成功,经过150个小时的探测后,弗尔沃德的干涉仪并未探测到引力波。

  但是,科学家们寻找引力波的梦想从未消失,美国麻省理工学院的魏斯团队、德国马克斯•普朗克研究所的汉斯•彼林团队、英国格拉斯哥大学的朗纳•德瑞福团队在脉冲双星新发现的鼓舞下,纷纷开始建造雏型引力波干涉仪并投入运行,美国加州理工学院的基普•索恩更是专门组建了引力波实验团队,大家都渴望早日探测到引力波的存在。

  正所谓“众人拾材火焰高”,高智商的科学家们当然也想到了这一点。1979年,基普•索恩特地请来英国格拉斯哥大学的朗纳•德瑞福团队领导自己的这支队伍,并于4年后共同建造了一台臂长40m的引力波干涉仪;而美国麻省理工学院的魏斯团队则因经费有限,只建成了一台臂长1.5m的引力波干涉仪。尽管仪器的大小如此悬殊,两个团队仍然在认真地尝试制造出更灵敏、更先进的引力波干涉仪。经过长达一年的激烈竞争,两个团队最终决定联合设计与建造激光干涉引力波天文台,也就是我们今天所熟知的美国LIGO科学合作组织。

  精益求精——引力波干涉仪的进化

  1990年,LIGO计划得到了美国国家基金会的批准;一年后,美国国会开始向LIGO计划拨款;又经过了一年的选址规划,科学家们最终决定在相距3000km的路易斯安那州的利文斯顿与华盛顿州的汉福德各自建造一个相同的探测器,只有当两个探测器同时检测到信息时,才有可能是引力波的信号。

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  迈克尔逊干涉仪

  这种探测器的全名叫作迈克尔逊干涉仪,是由美国物理学家迈克尔逊和莫雷于1881年共同设计制造而成的精密光学仪器。当一束光线经过分光镜一分为二,成为两束性质完全相同的光线,又被各自方向的平面镜反射回来交汇于分光镜处时,不同长度的干涉臂与不同介质的折射率都会影响光程,从而形成不同的干涉条纹。引力波干涉仪正是利用这一原理,让两束光在绝对相同的条件下,通过异常干涉条纹的出现,来证实引力波的存在。

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  激光干涉仪示意图

  1994年,身为LIGO计划主任的加州理工学院教授巴里•巴里什认为,引力波干涉仪应该是一台可以持续演进的探测器,其中的任何零件都能够很容易的进行改良,协助未来的引力波探测事业持续的发展下去。在这一建议下,LIGO科学合作组织开始了为期五年的建造:每个探测器都由两个臂长4km、直径1.2m的真空钢管组成L型,也就是一个巨型的迈克尔逊干涉仪。同时,探测器需要保证光线的连续稳定,钢管内部的多层震动隔离等特殊要求。

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  LIGO的简易布置图

  2002年,LIGO科学合作组织开始进行第一次探测引力波。在长达八年的数据搜集过程中,科学家们虽然未能探测到引力波,但是也收获了许多宝贵的实际经验,来不断地帮助探测器提升各项性能。比如,为了增加探测器的灵敏度,引力波干涉仪将激光器的功率从10瓦特提升至35瓦特,使得其灵敏度提升了约30%;为了减少散粒噪声,引力波所造成的响应的读取方式,由“射频读取”改为“直接转换读取”;为了防止高阶横模态光波入射至光探测器内,在输出口前方安装了输出模态清除器。

  如今,第一代干涉仪已经被完全拆除,安装上了更先进的仪器,输入激光器的功率被增加至180瓦特,就连镜子表面的涂层也经过多次的改良,而这其中的每一个细节变化都是成百上千位科学家呕心沥血的研究所得。随着引力波干涉仪变得越来越精密,未来的某一天,如果人类能够将它放置在太空中,将会探测到宇宙大爆炸最初始的引力波。

  戒浮戒躁——开启天文学的新纪元

  如今,人类已经成功探测到了五次引力波,其中第五次是由来自1.3亿光年外两颗中子星并合所产生的引力波事件。此次发现在天文学界所造成的轰动,不亚于人类第一次探测到引力波——引力波与电磁波(美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴)首次同时被观测到,这标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学的新纪元已经来临了。

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  2008年5月到达卡纳维拉尔角的费米伽玛射线太空望远镜卫星本体

  即便如此,科学家们也并未流露出过多的情感,他们只是将头埋得再深一些,希望在自己的有生之年能够见证更多的奇妙景象。毕竟,对于浩瀚无边的宇宙来说,我们显得太过渺小了,而探寻宇宙奥秘的困难程度不亚于“盲人摸象”。

  然而,科学的伟大之处就在于它可以被慢慢地修正。人类利用天文望远镜摆脱了肉眼观测宇宙的局限与天气条件的约束,而引力波与电磁波的同时发现,也让人类从“全波段天文学”阶段跨越到“多信使天文学”阶段。在不断辨伪求真的过程中,宇宙的谜团正在被我们一一揭开,终有一天会向人类展示出它的全部模样。

  50多年来,上千位全球顶尖的科学家相继加入LIGO科学合作组织,面临过公众的质疑,遭遇过绝境的考验,更付出了难以想象的艰辛,可他们依旧前赴后继。这些人中有年富力强的青年,也有满头银发的老者,许多为了探测到引力波而奉献一生的科学家们,甚至没能坚持到发现引力波的时候。

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  艺术家关于两个并合中子星的想象

  能够穿越星际的,唯有引力波和爱。

  茫茫宇宙中通过引力波传递而来的信息,也唯有依靠人类对科学无止境的爱来解答,这份爱正是他们对科学始终执着不变的匠心。

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