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Rainer Weiss:为了“抓”引力波,我们有多拼 | 星聚墨子(26)

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要知道,即使是地球上极其微小的震动,其幅度也在微米(10

-6米)量级。LIGO必须将镜子的移动控制在地球震动的万亿分之一以内。

2017年12月,美国实验物理学家、诺贝尔物理学奖得主莱纳·魏斯 (Rainer Weiss)在墨子沙龙引力波大会上围绕LIGO探测引力波的基本原理开展了一场科普报告。

本文根据报告内容整理而成。


▲莱纳·魏斯 (Rainer Weiss) 来源:墨子沙龙

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第一部分

引力不是力?宇宙是个弯曲的“蹦床”

引力波与爱因斯坦的引力理论有关,物理学家一百年前就知道它,但是今天很多人对它依旧陌生。它认为两个物体之间的引力相互作用并不是力,而是物体的存在造成的空间和时间的弯曲。这张简单的图片,可以帮大家大致理解。


▲对太阳、地球造成的时空弯曲的模拟展示 来源:演讲材料

这张图片只选取了时空的两个维度,大的黄色的圆球是太阳,最右边是地球。远离太阳的时空是直的平坦的,而靠近太阳的地方是弯曲的。在地球这儿你也可以看到一个小坑,就像太阳的一样,所以,空间自身会被其中存在的物体弯曲。

如果我们在每一处都放一只时钟。在远离太阳和地球的每一处,时钟时间是相同的,但另一方面,在靠近太阳附近弯曲的空间时,这个地方的时钟会比远处走得慢一点,地球附近的空间也是一样的,也就是说空间和时间一起被空间中的物体弯曲了。而空间和时间的样子可以告诉我们物体是如何运动的,这就是爱因斯坦的理论。

这个理论十分重要,它对大质量和高速的物体也适用,时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播能量,就是引力波。它由加速的有质量的物体产生,就像电磁学中,电磁波由加速的电荷产生。引力波的传播速度是光速,它是特定的横波,这个波在垂直于它的传播方向上振动。

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第二部分

引力波,看不见却能“听见”

最早间接观测到引力波的是约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Hulse),他们因此获得了1993年的诺贝尔奖,他们通过对双中子星系统中脉冲星的长期计时,间接验证了引力波辐射。


▲泰勒与赫尔斯观测到的这颗天体的公转周期 来源:演讲材料

这是那个射电望远镜的结果。他们观测了一个在望远镜信号中不停振荡的天体,注意到那颗星星有时候比每秒17次振荡得更快,有时候更慢,这证明还有一颗星星在附近。但他们没有接收到脉冲信号,所以他们长时间观测这个系统,观察到了各种牛顿力学中难以检验的现象,与其他系统相比,这个观测全新的一点是,它非常准确地检验了爱因斯坦理论的很多预言。

他们发现,当他们求解这个系统时,轨道环绕一圈的周期会随着时间变得越来越短。说明天体在变得越来越近,它们相互旋转的周期也越来越短。

在他们开始这个实验之前,上世纪60年代,美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)科学家,想用一个大圆柱探测引力波。他设计建造了铝制圆柱体引力波探测器,希望引力波穿过圆柱时会突然拉伸它,进而测量柱子发出的声音。不幸的是,虽然他听到了声音,他在全球的几个探测器都听到了,但是所有重复他的实验的人都没有听到,因此这个结果充满争议。


▲Joseph Weber设计的引力波探测器

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第三部分

极限微操:精度超高的引力波捕捉器

激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,简称LIGO)通过测量两个方向的光传播所需的时间来测量引力波。图中有激光,还有分束器,把光分成两束,一束反射照向那一面镜子,另一束光透射传播到那面镜子。


▲LIGO位于华盛顿州汉福德的探测器,具有两个干涉臂 来源:维基百科

光在垂直于引力波传播方向上的两条路径距离相同,当引力波到达时,你就会在光探测器上看到信号,原理很简单,但问题就在于信号并不很强,如果想看到引力波,探测精度需要比光的波长精度高很多。这意味着,在长达4公里的干涉臂上,端点距离的变化量仅有4×10⁻¹⁸米——这大约只有原子核尺寸的千分之一。为了达到这种精度,LIGO必须解决两大难题:首先,测量精度必须达到光波长的万亿分之一(10⁻¹²倍);其次,必须保证反射镜自身的位移不超过10⁻¹⁸米。要知道,即使是地球上极其微小的震动,其幅度也在微米(10⁻⁶米)量级,这意味着LIGO必须将镜子的移动控制在地球震动的万亿分之一以内。


▲LIGO的简易装置图 来源:维基百科

另外为了让光在4公里的臂中“跑”得更久以放大信号,科学家在入口处增加了反射镜,让激光来回反射数百次,等效增加了臂长。同时,利用部分反射镜将返回的光重新反射回干涉仪,形成“功率循环”,从而大幅增强内部的光强,提高测量精度。其次是极致的减振系统。为了降低地面震动,悬挂测试质量的镜子被设计成了由重物串联而成的“单摆”。根据牛顿第二定律,多级摆式悬挂在工作频段对地面振动起机械低通滤波作用,它极大地衰减了环境噪声。在此基础上,整个系统还放置在主动隔振平台上。该平台会实时测量自身的微小运动,并施加一个反向作用力来抵消震动,这与我们日常使用的“主动降噪耳机”原理完全相同。

最后我还想讲一点未来必须解决的问题,关于所有噪声来源的问题。这张图表示了干涉仪的噪声。


▲LIGO干涉仪的噪声 来源:演讲材料

首先是量子噪声,为了提高测量精度,必须增加激光功率。但功率增加会导致光子数量增多,光子撞击镜子产生的“光压”会把镜子推开,从而引入新的噪声。另外,因为所有器件都在室温中,所以有热噪声。即便有隔振系统,依然受制于这个噪声。噪声的产生,是由于地面和空气的密度都在波动,这些波动会通过经典的牛顿引力把镜子拉来拉去,因此,我们最终考虑,需要在太空开展引力波探测。

这些就是我在制作引力波探测器时必须考虑的事情,谢谢大家!

内容整理:诗学



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