引力波探測器
——證明廣義相對論的最后一個預言

引力波探測器
——證明廣義相對論的最后一個預言

引力波是愛因斯坦在廣義相對論中提出的，即物體加速運動時給宇宙時空帶來的擾動。通俗地說，可以把它想象成水面上物體運動時產生的水波。但是，由于引力波強度很弱，所以只有非常大的天體才會發出較容易探測的引力波，如超新星爆發或兩個黑洞相撞時。因此，相對論提出一百多年來，其“光線偏轉”等重要預言被一一證實，而引力波卻始終未被直接探測到。

1 962年，有科學家提出利用激光干涉的方法來探測引力波。如果一個物體受到引力波的影響，那么它將會一個方向上被壓縮，另一個垂直的方向上被拉伸。就像你捏一個圓的氣球，氣球在捏的方向上變短了，在垂直方向就變長了，圓氣球就變成橢圓氣球了。只不過引力波引起的形變非常細微，必須用人類所能達到的最精密的光學儀器才能測量出來。

科學家們為了捕捉并研究到這微弱的波動，建造了一些極度敏感的巨大光學設備，名為“激光干涉”。激光干涉引力波觀測站，即LIGO，是由從全球86個研究所來的1 000余名專家成員組成，一同分析研究這些精密儀器所探測到的數據。

引力波探測器原理圖1

引力波探測器原理圖2

避震系統

路易斯安那的探測器全圖

華盛頓的探測器全景圖

“天琴計劃”效果圖

LIGO有兩個完全相同的L型激光干涉儀，L型探測器有兩條相互垂直的長臂，非常巨大，兩臂長度均為4千米。如此巨大的探測器，必須選擇合適的平整空曠的地方，分別在華盛頓的漢福德和路易斯安那的利文斯頓，兩者相距3002千米。

長臂中各有一個真空度非常高的真空管，真空管里是一個激光通道，這兩道激光能精密反映引力波引起的激光通道的極其輕微的變化，一旦測到引力波，兩道激光就會發生有規律的長短交替變化，探測信息就會被電子儀器記錄下來。為了排除大地震動等干擾因素，兩道激光通道都有非常高端精微的設計，這里就不多介紹了。

為什么要造兩臺一樣的儀器呢？因為單靠一個探測器無法確定引力波源的位置，如果有2個以上的探測器，就可以根據接收到信號的時間差來幫助確定引力波源的位置。除此之外，多個探測器也可以幫助排除一些局域的干擾信號。

引力波探測和研究將推動人類理論物理的新發展，給人類探索宇宙的秘密提供新的途徑，人類的宇宙探索將揭開新的篇章。

天琴計劃——中國的引力波探測工程

北京時間2月11日23點30分，美國國家科學基金會(N SF)宣布人類首次直接探測到了引力波，印證了愛因斯坦的預言。中國本土引力波探測工程“天琴計劃”已經于2015年7月份正式啟動，部分關鍵技術研究已有具體進展，目前正在立項中。

中山大學“天琴計劃”以引力波研究為中心，開展空間引力波探測計劃的預先研究，制定中國空間引力波探測計劃的實施方案和路線圖，并開展關鍵技術研究。

根據此前的設想，“天琴計劃”主要將分四階段實施：第一階段完成月球/衛星激光測距系統、大型激光陀螺儀等天琴計劃地面輔助設施；第二階段完成無拖曳控制、星載激光干涉儀等關鍵技術驗證，以及空間等效原理實驗檢驗；第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測距等關鍵技術驗證，以及全球重力場測量；第四階段完成所有空間引力波探測所需的關鍵技術，發射三顆地球高軌衛星進行引力波探測。

中山大學珠海校區將建設“天琴計劃”所需的地面研究基礎設施。中山大學校長羅俊此前曾透露，學校將在珠海校區鳳凰山挖山洞，建立山洞超靜實驗室。“天琴計劃”將需要一百人左右的教師團體和四五百人的研究、工程技術人員以及博士后。為此，中山大學此前發布招聘啟示，面向全球招募人才。

完成全部四個子計劃，大約需要二十年的時間，投資大約150億元人民幣。