捕捉引力波:100亿分之一纳米的挑战

作者: Adrian Cho

来源: Science杂志

发布日期: 2015-10-23 11:05:54

物理学家们经过数十年的努力,预计在未来一两年内将能够探测到时空的涟漪,即引力波。这一探测将验证爱因斯坦的广义相对论,并开启观察宇宙的新窗口。LIGO项目通过提高设备的灵敏度,计划在近期进行首次观测运行,以期达到设计灵敏度并探测到引力波。

经过数十年的努力,物理学家们称他们在未来一两年内就能探测到时空的涟漪。这片小树林地位于美国路易斯安那州,人口1893人的利文斯顿的正北方。这里并不像是你寻找物理学的重大突破时首先想要去的地方。但是这里的确是物理学家们验证爱因斯坦最非凡的引力理论,即广义相对论的地方。这个隧道至东向西长达4公里,并且和另一个类似的自北向南的隧道在一个附近的仓库似的房子里交会。

这个建筑里放置了激光干涉引力波天文台,一个极为灵敏的设备,可能在不久探测到时空中由于中子星或黑洞并合释放的时空涟漪。

爱因斯坦在近一个世纪以前预言了这样的引力波的存在。但是直到现在,对它的探测才达到了一个高潮。在利文斯顿的这个设备和它在华盛顿汉福德的孪生设备,从2002年起一直运行至2010年,但没有看到任何东西。物理学家说,这只是LIGO设备的初步运行,其目的是为了证明探测实验在技术上是可行的。

现在,他们正在花费2.05亿美元来改造被称为高级LIGO的新探测器,其灵敏度应该可以比原来提高10倍,获得真正探测引力波的能力。

探测这些涟漪会打开一个观察宇宙的新窗口。但是实现它们并不容易。每个隧道都含有一对镜子,形成一个光学空腔,在里面红外线被来回反射。物理学家通过比较两个空腔长度的细微差别来测量空间的伸展。但他们必须要在其他的嘈杂震动上来探测这些运动。LIGO物理学家必须要将镜子和这些震动隔离开来,这样他们才能看见比这些背景震动要小10万亿分之一的空腔延展或收缩——也就是大约是一个原子长度的10亿分之一。

在1915年,爱因斯坦解释道,当空间和时间,即时空被质量和能量弯曲时,会产生引力。一年后,他预言大质量的物体,在经历某种震荡运动时会发出时空涟漪——以光速穿过时空的引力波。在随后数十年,这个预言充满了争议性,部分因为相对论的数学极为复杂。

即使引力波是真实的,要探测它们也似乎是不可能的,韦斯说。在那个时代,科学家甚至都不知道宇宙的强力引力源——中子星和黑洞,唯一知道的最可能的引力波源是一对相互绕转的恒星。计算显示它们发出的信号微弱到不能被探测到。到1950年时,理论学家们发现了中子星和黑洞,他们最终一致同意引力波应该是存在的。

尽管如此,韦伯的努力触发了LIGO的产生和发展。在1969年,韦斯,一个激光专家,被指派去教授广义相对论。韦斯的方法发表在1972年麻省理工的内部期刊上,一开始并没有引起人们的注意。

现在,许多物理学家说高级LIGO在引力波探测上可以说几乎胜券在握。在一个十二月的明亮早晨,在利文斯顿的研究员们开始着手一个为期10天的预运行,标志着他们的首次观测尝试。利文斯顿的LIGO有一种前哨阵地的感觉。

新的利文斯顿装置已经将原来的LIGO灵敏度提高了一倍。LIGO的研究人员计划今年开始首次观测运行,并希望能在明年达到设计灵敏度。扩大搜索范围,对比初始LIGO,高级LIGO可以探测到10倍远的引力波源,搜索1000倍大的空间区域。

总而言之,探测到引力波的科学家,会被授予最高的科学荣誉,物理学家们说。许多人说维斯会十拿九稳获奖。但是他表示异议。

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