科學(xué)家造超級(jí)設(shè)備檢測(cè)引力波：激光干涉技術(shù)

晨風(fēng)

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報(bào)道，我們對(duì)于宇宙的理解來自我們長(zhǎng)久以來的觀測(cè)，而現(xiàn)在，人類已經(jīng)站在一個(gè)臨界點(diǎn)上，或許我們即將發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)久以來一直未能被觀測(cè)到的東西。

這就是引力波。對(duì)于這種神秘現(xiàn)象的搜尋已經(jīng)持續(xù)了一個(gè)世紀(jì)。這是愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種現(xiàn)象，但是長(zhǎng)久以來物理學(xué)家們一直在爭(zhēng)論其是否的確真實(shí)存在。

1957年，物理學(xué)家們證明，如果引力波的確存在，那么它必定要攜帶能量并因此引發(fā)震蕩。但同樣顯而易見的一點(diǎn)是，這些攜帶能量比太陽光高出100萬倍的波所引發(fā)的震蕩幅度將會(huì)比一個(gè)原子核直徑還要小。

要想檢測(cè)這樣的波動(dòng)，建造相應(yīng)的探測(cè)裝置似乎是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。但就在1960年代，馬里蘭大學(xué)一名標(biāo)新立異的物理學(xué)家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）開始嘗試設(shè)計(jì)第一款這樣的裝置，并且在1969年宣布取得了成功！

這一消息引發(fā)一片興奮和驚愕之情。如此巨大的能量如何能與我們對(duì)恒星和星系的理解相協(xié)調(diào)？于是，一股科學(xué)的淘金熱誕生了。在兩年內(nèi)，全世界的頂尖實(shí)驗(yàn)室便研制出了10種新型探測(cè)設(shè)備。但實(shí)際進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果是一樣的：什么都沒有發(fā)現(xiàn)。

需要更好的設(shè)備

有些物理學(xué)家感到灰心，放棄了這一領(lǐng)域的研究。但在接下來的40多年里，有越來越多的物理學(xué)家們參與了進(jìn)來，他們致力于研制靈敏度更高的探測(cè)設(shè)備。到了1980年代，全世界范圍內(nèi)的科學(xué)家們相互合作，致力于研制5臺(tái)稱作“低溫諧振桿”的新型設(shè)備，其中一臺(tái)名為“NIOBE”的探測(cè)器設(shè)在西澳大利亞大學(xué)。

這些探測(cè)器簡(jiǎn)單來說就是一些被冷卻到接近絕對(duì)零度的金屬棒。科學(xué)家們使用超導(dǎo)探測(cè)器，其精度比韋伯當(dāng)年的檢測(cè)水平高出100萬倍。

1990年代的大部分時(shí)間這一探測(cè)系統(tǒng)一直都在運(yùn)行。如果銀河系內(nèi)的兩個(gè)黑洞發(fā)生碰撞，或是一個(gè)新的黑洞形成，這一探測(cè)系統(tǒng)都應(yīng)該能夠“聽見”在宇宙中傳來的輕微時(shí)空“漣漪”。但事實(shí)是，一片寂靜。

但在研制和使用“低溫諧振桿”系統(tǒng)的期間，科學(xué)家們也的確得到了一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。他們加深了對(duì)量子論如何影響測(cè)量結(jié)果方面的理解，即便在噸一級(jí)的尺度上也是如此。這些探測(cè)器的研制迫使科學(xué)家們轉(zhuǎn)向采用新的測(cè)量方法。如今這已經(jīng)成為一個(gè)主流研究領(lǐng)域，稱作“宏觀量子力學(xué)”。

但檢測(cè)的零結(jié)果并不意味著一切的終結(jié)，而是說明我們必須對(duì)宇宙開展進(jìn)一步的研究。黑洞碰撞在某一個(gè)特定的星系中可能非常罕見，但如果你對(duì)數(shù)以百萬計(jì)的星系進(jìn)行監(jiān)測(cè)，那么它就將成為一種普遍的現(xiàn)象。

激光束

現(xiàn)在，科學(xué)家們急需一種新的技術(shù)，能夠大大提升檢測(cè)系統(tǒng)的敏感度。到了2000年，這種技術(shù)終于出現(xiàn)了，這就是所謂“激光干涉技術(shù)”。

這項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)單來說就是使用激光束來測(cè)量?jī)蓧K相距遙遠(yuǎn)的鏡子之間的細(xì)微震動(dòng)。而這兩塊鏡子之間的距離越大，檢測(cè)到的震動(dòng)也會(huì)越大！而如果轉(zhuǎn)而采用L型的鏡子排布，則將可以讓信號(hào)強(qiáng)度翻倍，并排除來自激光的噪音信號(hào)。

幾個(gè)物理學(xué)家小組花費(fèi)多年時(shí)間對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究，其中就包括一個(gè)來自澳大利亞國(guó)立大學(xué)的小組。激光測(cè)量可以在很大的空間尺度上進(jìn)行，因此科學(xué)家們?cè)诿绹?guó)、歐洲和日本建造了直徑達(dá)到4公里的巨型探測(cè)器。

澳大利亞引力天文學(xué)委員會(huì)在該國(guó)珀斯以北建造了一個(gè)研究中心，作為未來在南半球開展引力波研究的探測(cè)器。世界需要這樣做，因?yàn)橹挥羞@樣做，科學(xué)家們才有可能采用三角測(cè)量法計(jì)算出信號(hào)源的位置。

最新的探測(cè)器

這一新的探測(cè)器方案包括兩個(gè)階段。由于該項(xiàng)目包含巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此第一步的目標(biāo)僅是驗(yàn)證激光技術(shù)的確可以在4公里的尺度下開展應(yīng)用，但在此期間使用較低能級(jí)的激光束，這意味著其能夠探測(cè)到任何信號(hào)的可能性僅有幾個(gè)百分點(diǎn)。

這些大型探測(cè)器都被放置在世界上最大的真空系統(tǒng)之中，其使用的鏡面必須要比望遠(yuǎn)鏡水平的鏡面還要光滑100倍，必須采取措施抵消地震波的影響，并且實(shí)驗(yàn)中使用的激光束必須是最為純凈的光束。

項(xiàng)目的第二階段，研究人員將建造完成更大的鏡面，使用強(qiáng)大得多的激光束，采用更加精確的震動(dòng)控制技術(shù)。這套系統(tǒng)一旦建成，預(yù)計(jì)其高靈敏度將使其每年檢測(cè)到20～40次中子星碰撞形成黑洞的事件。

在計(jì)劃開展這兩個(gè)階段的研制工作期間，澳大利亞都受到美國(guó)方面的盛情邀請(qǐng)。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）將承擔(dān)系統(tǒng)中超高精度鏡面的制造工作，這是整個(gè)系統(tǒng)的核心組件之一。

集思廣益

澳大利亞方面在今年早些時(shí)候召開會(huì)議，商討這項(xiàng)新的國(guó)家計(jì)劃的議題。該計(jì)劃的一部分是建造一座80米尺度激光研究設(shè)施，就相當(dāng)于某種小型版的引力波探測(cè)裝置。研究人員在這里開展涉及新型探測(cè)器的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，尤其著重于激光方面的研究。

這里的研究組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種新的現(xiàn)象，其中包括激光的光子從聲波的“顆粒”——聲子上發(fā)生的反射。這一現(xiàn)象有著重要意義，因?yàn)樗梢宰鳛橐环N工具，讓研究人員防止這一新型探測(cè)系統(tǒng)中存在的不穩(wěn)定性。

光能也可以被制成“光柱”——回想一下《星球大戰(zhàn)》中的光劍吧！這種裝置可以捕捉更多的引力波能量，從而打開一扇通向未來新型引力波探測(cè)器研制可能性的大門。

發(fā)現(xiàn)的最后階段

2006年，這套系統(tǒng)第一階段的研制達(dá)到其靈敏度目標(biāo)，并且和預(yù)期的一樣，他們沒有探測(cè)到任何信號(hào)。

按照計(jì)劃，第二階段的探測(cè)器建造將在明年開始。澳大利亞的研究組目前正在為此進(jìn)行準(zhǔn)備，因?yàn)檫@套新型探測(cè)器將完全改變現(xiàn)有的游戲規(guī)則。

歷史上第一次，我們對(duì)可能的結(jié)果有了堅(jiān)實(shí)的預(yù)期：我們知道信號(hào)應(yīng)該具有的強(qiáng)度，我們也知道應(yīng)該出現(xiàn)的信號(hào)數(shù)量。我們已不再需要苦苦等候罕見而難以預(yù)期的事件發(fā)生。

我們將得以首次對(duì)大范圍的宇宙空間開展監(jiān)視，我們也非常有信心，我們將能夠“聽見”遙遠(yuǎn)的宇宙深處發(fā)生的中子星合并事件，或是黑洞的誕生。

一旦這套系統(tǒng)完全建成，預(yù)計(jì)我們幾乎將每周就能接收到一次信號(hào)。但究竟何時(shí)我們能夠達(dá)到這一程度，目前還很難說，沒人可以打包票。我們必須學(xué)習(xí)如何操控這套巨大而復(fù)雜的設(shè)備。

但如果你非要針對(duì)人類首次探測(cè)到引力波給出一個(gè)具體的年份，那么很多物理學(xué)家會(huì)建議你選擇2016年，更多則會(huì)建議你選擇2017年。但也有很多持有悲觀態(tài)度的科學(xué)家們認(rèn)為我們將可能遇到難以預(yù)料的問題，并為此額外花費(fèi)數(shù)年時(shí)間來予以解決。

（選自新浪科技）endprint