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

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