時(shí)空的漣漪：我們或?qū)?年內(nèi)檢測(cè)到引力波

1997年，一套真空罐運(yùn)抵華盛頓州漢福德

到1998年2月份，真空設(shè)備已經(jīng)在L型設(shè)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(zhǎng)長(zhǎng)管路的末端用于反射激光。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格拋光的鏡面上涂有35層紫色介電涂層，以便達(dá)到LIGO對(duì)于光線反射的苛刻要求

構(gòu)成LIGO的兩臺(tái)大型設(shè)施之一。這一臺(tái)位于華盛頓州漢福德，由兩條各長(zhǎng)4公里的管路構(gòu)成一個(gè)巨大的L型　　

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報(bào)道，引力波是根據(jù)愛(ài)因斯坦在1916年提出的理論預(yù)言存在的一種現(xiàn)象，它是時(shí)空的漣漪。而美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)迄今資助的最為雄心勃勃的計(jì)劃便是一項(xiàng)名為“激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)”(LIGO)的項(xiàng)目。LIGO包括兩臺(tái)L型的干涉儀，各自擁有長(zhǎng)達(dá)4公里的長(zhǎng)長(zhǎng)軌道。而在軌道的盡頭懸掛有鏡片，這些鏡片的運(yùn)動(dòng)被以相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子直徑1/1000的精度進(jìn)行測(cè)量記錄。這項(xiàng)史無(wú)前例的項(xiàng)目是由美國(guó)加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院聯(lián)合實(shí)施的，初期的LIGO設(shè)施于2001年開始投入運(yùn)行，而經(jīng)過(guò)升級(jí)，技術(shù)更加先進(jìn)的LIGO設(shè)施則于近日(5月19日)開始投入運(yùn)行。

巴里·巴里希(Barry Barish)是一位已退休的著名物理學(xué)教授，在1994年~1997年之間曾經(jīng)擔(dān)任LIGO項(xiàng)目的首席科學(xué)家，并在1997年~2006年間擔(dān)任LIGO項(xiàng)目主管一職。斯坦·維特康姆(Stan Whitcomb)在1980年~1985年之間擔(dān)任加州理工學(xué)院助理教授并在1991年返回校園擔(dān)任專業(yè)教職并在那之后多方參與到LIGO項(xiàng)目之中。以下便是對(duì)這兩位專家的采訪問(wèn)答：

問(wèn)：LIGO項(xiàng)目是如何開始的?

巴里希：愛(ài)因斯坦并不認(rèn)為引力波是可以被探測(cè)到的，因?yàn)橐μ趿恕５谏鲜兰o(jì)60年代，馬里蘭大學(xué)的約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)使用整整一公噸的鋁材制成了一根153厘米長(zhǎng)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(huì)產(chǎn)生處于這一頻率的引力波，如果這樣的引力波穿過(guò)這根金屬棒，金屬棒產(chǎn)生的共振效應(yīng)或許可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行足夠的放大，從而讓我們能夠測(cè)量到。 這是一個(gè)非常天才的想法，并且基本可以說(shuō)是在實(shí)驗(yàn)學(xué)上開啟了這一領(lǐng)域的研究。然而你所能制造的金屬棒尺寸畢竟有限，而且你能觀測(cè)到的信號(hào)也在很大程度上取 決于你的探測(cè)器規(guī)模有多大。

我們后來(lái)從英國(guó)格拉斯哥大學(xué)招募來(lái)的物理學(xué)教授榮·德雷弗(Ron Drever)開始著手在這一棒狀探測(cè)器項(xiàng)目上繼續(xù)向前推進(jìn)。然而當(dāng)我們雇傭他時(shí)，他正和MIT的萊納·維斯(Rainer Weiss)各自獨(dú)立地進(jìn)行著干涉儀型探測(cè)器的開發(fā)——這是此前由他人率先提出的想法。一般情況下你會(huì)牢牢固定你的鏡子這樣它們才不會(huì)亂晃，但在LIGO中使用的反射鏡必須是能夠自由晃動(dòng)的，這樣引力波效應(yīng)才能推動(dòng)它。要想將非常巨大而笨重的設(shè)施與非常高精度的測(cè)量相結(jié)合是一件非常困難的任務(wù)。

維特康姆：盡管棒狀探測(cè)器方案似乎是當(dāng)前看來(lái)靈敏度最高的方案，但要想最終達(dá)到探測(cè)器所需要的靈敏度，其實(shí)現(xiàn)的難度要大得多。吉普·索恩(Kip Thorne)非常明智地讓加州理工轉(zhuǎn)而進(jìn)行干涉儀型探測(cè)器方案的開發(fā)并在那之后不斷予以推動(dòng)。

榮在格拉斯哥大學(xué)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建造了一臺(tái)長(zhǎng)10米的干涉儀型探測(cè)器，這已經(jīng)是他們所擁有的全部空間了。而我們根據(jù)他們的設(shè)計(jì)，建造了一臺(tái)長(zhǎng)40米 的探測(cè)器，但在建造的過(guò)程中盡可能的對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。那段時(shí)間我們整天與氬離子激光打交道，這在當(dāng)時(shí)是最好的選擇，但同時(shí)也非常危險(xiǎn)。使用時(shí)，冷卻水 會(huì)向系統(tǒng)引入很嚴(yán)重的震動(dòng)干擾，導(dǎo)致我們難以達(dá)到原先設(shè)計(jì)的靈敏度目標(biāo)。我們還需要設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，在當(dāng)時(shí)的條件下我們必須采用模擬電路。并且我們還獲得了 首批“超級(jí)鏡面”。這些實(shí)際上都屬于軍事技術(shù)，但我們成功地將其轉(zhuǎn)為科學(xué)用途。干涉設(shè)施的延展越長(zhǎng)，它的靈敏度就越高，而整個(gè)設(shè)施的有效長(zhǎng)度便是光線在其 中累計(jì)距離。我們會(huì)讓光線在管道中往返反射數(shù)百次，從而使其干涉效應(yīng)與一臺(tái)長(zhǎng)度數(shù)千公里的干涉儀靈敏度相當(dāng)。

問(wèn)：與麻省理工的合作是從何時(shí)開始的?

巴里希：維斯和德雷弗當(dāng)時(shí)分別在MIT和加州理工運(yùn)行著各自研發(fā)的項(xiàng)目，直到物理學(xué)教授，加州理工學(xué)院的教務(wù)長(zhǎng)羅比·沃格特(Robbie Vogt)將他們兩人帶到了一起。這兩人對(duì)待世界的態(tài)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。

于是羅比立即著手撰寫提交給國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的項(xiàng)目提案，時(shí)間是1989年。那份分為兩卷，厚達(dá)300頁(yè)的文件中包含了一些關(guān)鍵性的設(shè)想，技術(shù)和概念——它們正是如今LIGO設(shè)施的基礎(chǔ)。盡管相比當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)，今天的LIGO設(shè)施在很多細(xì)節(jié)方面已經(jīng)有所不同，很多東西已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)，但最基本的東西仍然源自當(dāng)年的那份框架文件。

維特康姆：當(dāng)我在1991年回歸時(shí)，LIGO已經(jīng)成為一項(xiàng)由加州理工與麻省理工共同實(shí)施的聯(lián)合項(xiàng)目，但它只有一名主管，那就是羅比·沃格特。羅比當(dāng)時(shí)找來(lái)很多工程師，其中很大一部分是從噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)租借來(lái)或是招募來(lái)的，這些人將進(jìn)行具體的工程設(shè)計(jì)。已故的伯德·摩爾(Boude Moore)是我們聘請(qǐng)的真空工程師，他設(shè)計(jì)了如何利用低氫不銹鋼材料建造LIGO設(shè) 施高真空系統(tǒng)的方案。這是此前從未遇到過(guò)的問(wèn)題。金屬中吸收的氫原子會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)的生命周期內(nèi)緩慢排出，但我們的這一系統(tǒng)靈敏度非常高，只要有一個(gè)流浪原 子碰到我們的鏡子都會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)誤差。而伯德所從事的是一些相對(duì)大尺度上的測(cè)試工作，主要是在同步加速器建筑內(nèi)部，但我們也在加州理工的足球場(chǎng)旁邊建造了一 臺(tái)80米長(zhǎng)的測(cè)試原型，就在體育館的后面。

于是所有各項(xiàng)測(cè)試便在不同的地點(diǎn)零散地開展起來(lái)了，并且在40米的干涉儀型探測(cè)器上實(shí)現(xiàn)了整合。當(dāng)時(shí)我們使用的仍然主要是模擬電路，但我們有了一臺(tái)新的真空系統(tǒng)。隨后我們重新設(shè)計(jì)了懸掛系統(tǒng)并在探測(cè)器中增加了幾項(xiàng)新的功能，此時(shí)我們擁有了所需的靈敏度指標(biāo)，為建造4公里管道長(zhǎng)度的大型探測(cè)器LIGO做好了準(zhǔn)備。最后，也是在1991年，我們得到反饋消息，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)批準(zhǔn)了我們建造這一超級(jí)設(shè)施的計(jì)劃。

問(wèn)：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(diǎn)是如何選定的?

維特康姆：我和LIGO項(xiàng)目的首席工程師比爾·阿特豪斯(Bill Althouse) 共同負(fù)責(zé)地點(diǎn)評(píng)估委員會(huì)的工作。我們拜訪了大多數(shù)的候選地點(diǎn)并對(duì)它們開展評(píng)估，并向國(guó)家科學(xué)基金會(huì)提交一份推薦地點(diǎn)名錄。我們有著一系列的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。工程 方面的標(biāo)準(zhǔn)包括地面的平整性，在結(jié)冰條件下土地的膨脹隆起效應(yīng)，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(chǎng)址距離人口居住區(qū)的距離遠(yuǎn) 近，以及鐵路或機(jī)場(chǎng)這樣潛在的干擾來(lái)源。我們?cè)诳茖W(xué)方面也有判定依據(jù)，比如說(shuō)我們希望這兩個(gè)最終選定的地點(diǎn)之間能夠盡可能的遠(yuǎn)。我們也希望LIGO的位置能夠確保它未來(lái)也可以與歐洲提出的的兩大探測(cè)器方案——GEO(位于德國(guó)漢諾威)以及Virgo(位于意大利突斯卡尼)之間能夠開展協(xié)同觀測(cè)。我們需要能夠利用三角法測(cè)定一個(gè)信號(hào)源在天空中的位置，因此我們不希望LIGO的兩個(gè)位置與這兩個(gè)歐洲項(xiàng)目中的任何一個(gè)處在同一條直線上。

問(wèn)：為何升級(jí)后的LIGO變得更加靈敏了?

巴里希：好的，這其中的原因比較復(fù)雜。大多數(shù)靈敏度非常高的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是由于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并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(gè)難以置信的震動(dòng)來(lái)源，因此在10Hz到大約100Hz之 間的頻率上，我們必須設(shè)法將自己與這種來(lái)自地球的天然震動(dòng)進(jìn)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(hào)，這樣一來(lái)我們就 受到了來(lái)自激光功率大小的限制因此它決定了我們能夠在極短時(shí)間內(nèi)獲取的光子數(shù)量。而在中等頻率區(qū)，我們還要受到我們稱之為“熱干擾”的信號(hào)制約，那是因?yàn)? 我們使用的反射鏡自身內(nèi)部的原子也存在運(yùn)動(dòng)。

升級(jí)后的新版LIGO設(shè)施安裝了功率強(qiáng)勁地多的激光系統(tǒng)用于應(yīng)對(duì)高頻率方面的需求;我們改進(jìn)了隔絕系統(tǒng)，包括自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)來(lái)自地球的本底震動(dòng)信號(hào)干擾;另外我們有了更大的實(shí)驗(yàn)載荷并使用了更好的反射鏡涂層，確保將熱干擾信號(hào)降到最低。所有這些改進(jìn)在1989年的那份文件中都有。當(dāng)時(shí)那份文件中建議我們使用當(dāng)時(shí)已經(jīng)成熟的技術(shù)來(lái)建造LIGO設(shè)施，那些技術(shù)都已經(jīng)在40米試驗(yàn)設(shè)施上進(jìn)行了驗(yàn)證。而現(xiàn)在建成的升級(jí)版LIGO設(shè)施也同樣是應(yīng)用了在初始版LIGO投入運(yùn)行之后我們?cè)?0米試驗(yàn)設(shè)施上檢驗(yàn)得到的新技術(shù)。而現(xiàn)在我們正在40米試驗(yàn)設(shè)施上開展新一輪試驗(yàn)，從而為下一次的技術(shù)升級(jí)做好準(zhǔn)備。

問(wèn)：你認(rèn)為距離探測(cè)到引力波信號(hào)還有多遠(yuǎn)?

巴里希：我一直以來(lái)都非常希望我們能夠在2016年就能探測(cè)到引力波信號(hào)，因?yàn)槟鞘菒?ài)因斯坦發(fā)表有關(guān)理論的100周年紀(jì)念。然而升級(jí)后的LIGO設(shè)施將需要大約3~5年的時(shí)間才能達(dá)到其設(shè)計(jì)靈敏度，但我們?cè)诖似陂g也會(huì)不斷收集數(shù)據(jù)，因此我們?nèi)〉冒l(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)將不斷增大。根據(jù)設(shè)計(jì)，升級(jí)后的系統(tǒng)靈敏度和檢測(cè)概率都將得到大幅提升。靈敏度意味著你能夠探測(cè)到多遠(yuǎn)的信號(hào)，并且這種探測(cè)空間的增加是以距離的三次方進(jìn)行的。

當(dāng)我們從1989年起步時(shí)，一些人對(duì)此持有懷疑態(tài)度，認(rèn)為這可能又是一項(xiàng)跟核聚變類似的項(xiàng)目。他們一直認(rèn)為人類距離實(shí)現(xiàn)核聚變還有至少50年的時(shí)間。而對(duì)于LIGO，一般的看法是認(rèn)為我們距離探測(cè)到引力波還有大約10年的時(shí)間，但我認(rèn)為可能并不需要10年那么久，或許5年之內(nèi)我們就將迎來(lái)曙光。