科學(xué)家造超級設(shè)備檢測引力波：激光干涉技術(shù)

晨風(fēng)

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報道，我們對于宇宙的理解來自我們長久以來的觀測，而現(xiàn)在，人類已經(jīng)站在一個臨界點上，或許我們即將發(fā)現(xiàn)長久以來一直未能被觀測到的東西。

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

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)的震蕩幅度將會比一個原子核直徑還要小。

要想檢測這樣的波動，建造相應(yīng)的探測裝置似乎是一個不可能完成的任務(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)，全世界的頂尖實驗室便研制出了10種新型探測設(shè)備。但實際進行檢測的結(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)家們參與了進來，他們致力于研制靈敏度更高的探測設(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臺稱作“低溫諧振桿”的新型設(shè)備，其中一臺名為“NIOBE”的探測器設(shè)在西澳大利亞大學(xué)。

這些探測器簡單來說就是一些被冷卻到接近絕對零度的金屬棒。科學(xué)家們使用超導(dǎo)探測器，其精度比韋伯當(dāng)年的檢測水平高出100萬倍。

1990年代的大部分時間這一探測系統(tǒng)一直都在運行。如果銀河系內(nèi)的兩個黑洞發(fā)生碰撞，或是一個新的黑洞形成，這一探測系統(tǒng)都應(yīng)該能夠“聽見”在宇宙中傳來的輕微時空“漣漪”。但事實是，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)驗和教訓(xùn)。他們加深了對量子論如何影響測量結(jié)果方面的理解，即便在噸一級的尺度上也是如此。這些探測器的研制迫使科學(xué)家們轉(zhuǎn)向采用新的測量方法。如今這已經(jīng)成為一個主流研究領(lǐng)域，稱作“宏觀量子力學(xué)”。

但檢測的零結(jié)果并不意味著一切的終結(jié)，而是說明我們必須對宇宙開展進一步的研究。黑洞碰撞在某一個特定的星系中可能非常罕見，但如果你對數(shù)以百萬計的星系進行監(jiān)測，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)”。

這項技術(shù)簡單來說就是使用激光束來測量兩塊相距遙遠的鏡子之間的細微震動。而這兩塊鏡子之間的距離越大，檢測到的震動也會越大！而如果轉(zhuǎn)而采用L型的鏡子排布，則將可以讓信號強度翻倍，并排除來自激光的噪音信號。

幾個物理學(xué)家小組花費多年時間對這項技術(shù)進行研究，其中就包括一個來自澳大利亞國立大學(xué)的小組。激光測量可以在很大的空間尺度上進行，因此科學(xué)家們在美國、歐洲和日本建造了直徑達到4公里的巨型探測器。

澳大利亞引力天文學(xué)委員會在該國珀斯以北建造了一個研究中心，作為未來在南半球開展引力波研究的探測器。世界需要這樣做，因為只有這樣做，科學(xué)家們才有可能采用三角測量法計算出信號源的位置。

最新的探測器

這一新的探測器方案包括兩個階段。由于該項目包含巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此第一步的目標(biāo)僅是驗證激光技術(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的激光束，這意味著其能夠探測到任何信號的可能性僅有幾個百分點。

這些大型探測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，并且實驗中使用的激光束必須是最為純凈的光束。

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

在計劃開展這兩個階段的研制工作期間，澳大利亞都受到美國方面的盛情邀請。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候召開會議，商討這項新的國家計劃的議題。該計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裝置。研究人員在這里開展涉及新型探測器的物理學(xué)實驗，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，因為它可以作為一種工具，讓研究人員防止這一新型探測系統(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)第一階段的研制達到其靈敏度目標(biāo)，并且和預(yù)期的一樣，他們沒有探測到任何信號。

按照計劃，第二階段的探測器建造將在明年開始。澳大利亞的研究組目前正在為此進行準(zhǔn)備，因為這套新型探測器將完全改變現(xiàn)有的游戲規(guī)則。

歷史上第一次，我們對可能的結(jié)果有了堅實的預(yù)期：我們知道信號應(yīng)該具有的強度，我們也知道應(yīng)該出現(xiàn)的信號數(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)計我們幾乎將每周就能接收到一次信號。但究竟何時我們能夠達到這一程度，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。

但如果你非要針對人類首次探測到引力波給出一個具體的年份，那么很多物理學(xué)家會建議你選擇2016年，更多則會建議你選擇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，并為此額外花費數(shù)年時間來予以解決。

（選自新浪科技）endprint