探寻宇宙涟漪

Youth

http://www.oursci.org/magazine/200206/020618.htm

探寻宇宙涟漪

Geoff Brumfiel

柯南译自Nature 417, 482 - 484 (2002)

　　科学家正准备用一个新的观测站搜寻宇宙间最激烈的事件产生的时空涟漪。但是，尽管这个项目的代价高昂，探测器很可能什么也探测不到。Geoff Brumfiel 找到了其中的原因。

　　在路易斯安那州中部泥泞的漫滩上，两个4公里长的混凝土管道在一个庞大的林场上划出了一个L型。在管道内部，激光在镜面之间反射。它们构成了一个如此灵敏的测量装置，以至于它能够探测到驶来的车辆的隆隆声、以及附近附近树木倒地产生的震动。

　　但是当夜幕降临、伐木停止之后，一个更伟大的探测计划的准备工作仍在继续。到今年年底，路易斯安那探测器将能够寻找引力波——由黑洞碰撞和恒星爆发产生的微弱的时空涟漪。探测到这些涟漪将为爱因斯坦的相对论提供新的检验，同时也成为探寻宇宙中不可见部分的一种方法。


黑洞与中子星相碰撞释放出引力波，这是一个计算机模拟图

　　但是存在一个大问题。轰然倒地的树木和过路的卡车——更不用说微小的地震——将影响到探测器最终的研制。并且，由于理论物理学家并不知道引力波的样子，没有人能准确知道到底能发现什么。这个计划——激光干涉仪引力波观测站（LIGO）——的领导者承认，路易斯安那州的探测仪，以及它在华盛顿州汉福德（Hanford）的伙伴，最初可能什么也探测不到。但是，倘若这些探测器需要花费2.96亿美元，一些研究者怀疑它们有没有建成的可能。


路易斯安那州的LIGO

　　自从90年前引力波的理论被提出以来，没有人曾经直接探测到它。尽管物理学家认为引力波的确存在。阿尔伯特·爱因斯坦于1916年发表的的广义相对论理论预言说，在旋转系统中的大质量物体能够产生时空的涟漪（见附录《广义相对论入门》）。爱因斯坦认识到，引力波能够拉伸或者压缩它们穿过的任何物体，但是认为没有人能够检测到它们。例如，一个典型的引力波穿过地球，将会把这个行星拉长10-16米。麻省理工学院（MIT）的物理学家Rainer Weiss说：“爱因斯坦认为探测它们实在太困难了。”

　　直接探测引力波的机会是如此诱人，因为它能够确认爱因斯坦的理论预言。但是更深层次的动机在于了解产生最强大引力波的极端事件。“那是一个迥然不同的世界，”Weiss说。“如果你在一个黑洞附近，时空是如此的扭曲，以至于直线甚至不会延伸很远。附近的时钟快慢不同，没有什么还与原来一样。”并且，由于在这些天体的周围经常环绕着尘埃和残骸，很多人认为研究他们的唯一方法就是借助于某些形状的黑洞释放的引力波。

　　探测引力波的尝试最早可以追溯到20世纪60年代。马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）建造了第一个探测器。它包括一个2米长、1.5米直径的铝棒。韦伯预计，如果一个路过的引力波引起了它的长度的瞬时伸缩，铝棒将会像被锤子敲了一下那样鸣响。


约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）

　　在20世纪60年代末，韦伯宣布他探测到引力波几乎同时穿过了马里兰州和芝加哥的探测器，从而震惊了物理界。那个引力波看起来改变了铝棒10-15米的长度。但是怀疑者指出，只有相当大一部分的银河系质量才能产生这么强的引力波。Weiss说：“如果你实际计算一下他所声称发现的，那么银河系（的质量）在100万年就会消耗殆尽。”时光流逝，现在人们已经很清楚，韦伯的统计结果存在着缺陷。

　　但是韦伯的“发现”吸引了很多年轻物理学家的想象。Tony Tyson回忆说：“我被它迷住了。”Tyson是新泽西Murray Hill贝尔实验室的物理学家，当时是芝加哥大学的研究生。20世纪70年代中期，Tyson建造了一个更大的探测器，世界各地的其他研究组也有类似的探测器。尽管没有成功地发现任何引力波，人们对于这个领域的兴趣不断增长，这要部分的感谢引力波存在的第一个间接证据。

　　1974年，马萨诸塞大学的物理学家Russell Hulse 和 Joseph Taylor是用射电望远镜观测一对相互绕行的中子星。Hulse和Taylor意识到它们可能发出引力波，因此会慢慢损失能量，越靠越近。他们观测了这对中子星4年，于1978年宣布它们的轨道严格按照爱因斯坦的理论改变。这个发现——至今仍然是引力波最好的观测证据——让Hulse和Taylor获得了1993年的诺贝尔物理学奖。


同心协力

　　现在这场竞赛要建造一个能直接探测引力波的装置。加州理工学院的理论天体物理学家Kip Thorne说：“我们知道，如果成功，它在科学上的收益将是巨大的。”Thorne和加州理工学院的同事希望能够得到这套装置，在20世纪70年代末，他们招募了英国格拉斯哥大学的实验物理学家Ronald Drever来帮助他们设计新型的探测器。

　　Drever有建造被称作迈克尔逊干涉仪的L型装置的经验。入射的激光在L型拐角处分成两束，每一束光到达L型臂的末端，然后被镜面反射回中心。当光束再度汇集时，他们会在光敏探测器上产生一个带有暗斑的干涉图样。如果引力波或者其他干扰改变了臂的长度，在探测器处的光强度就会改变。通过研究光强度的改变，研究者就能确定光路的上的变化。干涉仪并不一定比韦伯的铝棒更灵敏，但是它们能够探测更宽频带的引力波。

　　Weiss加入了加州理工学院的研究小组。Weiss曾经独立研究干涉仪探测器。1985年，他们向国家科学基金会（NSF）递交了LIGO计划的建议，要求建造一对干涉仪。他们认为这些探测器能够探测激光光路上大约10-19米的扰动。建造这个装置需要数以百万计美元。然而，从一开始，研究者完全不能确定他们是否能探测到什么东西。

　　笼罩着LIGO的科学不确定性曾经，并且现在仍然是双重的。一方面，理论家不能预言他们希望LIGO能探测到的引力波的波长和频率，这引起了对于探测器最佳设计的争议。并且没有人知道引力波到达地球的经常性是多少。例如，假如黑洞碰撞的情况很罕见，或许几个世纪才能检测到一个这样的事件。

　　还存在着技术上的问题。使用韦伯铝棒的研究者遇到了经常震动他们实验室的微震的影响。震动造成了一个重大的问题，它们的频率——在0到100Hz之间——与理论所预计的引力波出现最丰富的频带接近。


有生机的设计方案

　　为了避免这些困难，NSF建议，如果最初的设计不能发现引力波，那么计划应该具有升级的潜力。Weiss说：“我们被NSF多次告知：不要建成一锤子买卖的项目。”

　　这个项目计划在不同地点建造两套足够能容纳高功率激光、抗震光学系统和数套干涉仪的实验室。使用两个探测器能够对于可能的发现做双重检验。

　　第一个干涉仪将使用通用器材建造。它们主要的功能将是检验实验所必需的精密电子和计算机系统。研究小组随后将安装更加精密的第二代干涉仪。

　　1989年，NSF正式资助这个项目。Frederick Bernthal说：“LIGO值得欣慰之处在于，你不会总是遇到花大钱的项目。”Bernthal在LIGO计划编制的后期任NSF的副主任。“即使你从没见过引力波，建造LIGO所需的最先进技术也会给人留下非常深刻的印象。”


政治说服力

　　LIGO小组现在要让国会相信，这个项目值得投资。加州理工的物理学家Robbie Vogt曾经是LIGO的主任，他进行了长达一年游说活动。他的一次演讲引起了Bob Livingston和Bennett Johnson的注意。他们当时分别是路易斯安那州的众议员和参议员。他们被这个计划打动，并且希望借助于最新的科学——以及相关的工作——繁荣他们州的经济。

　　NSF帮助选择了路易斯安那州Livingston这一比较合适的地点。那时，没有人想到树木倒下造成的影响。汉福德的探测器不必另外选址，政府拥有的土地曾经用于制造核武器。

　　尽管得到了NSF的批准，一些科学家仍然担心计划的花费。许多人曾经，并且现在仍然不愿意公开批评者这个由名牌大学和政府资助的项目。但是有些人当时道出了他们的担忧。“作为一个物理学家我对于这个实验非常着迷。并且希望看到它有足够的资金，”1991年3月，Tyson对众议院科学委员会说，“但是不能忽视数百名独立调查者的意见。”作为它证词的一部分，Tyson提交了一分60多个物理学家和天文学家的评论意见，所有人都表达了对于这个项目的怀疑。但是LIGO项目已经启动，并且有路易斯安那州政治家的支持。国会于1991年秋批准了这个项目。

　　随着政治斗争的胜利，研究者在过去的10年中设计和建造了两座观测站。它们都已经为寻找引力波做好了准备。但是最初的数据不会引人注目——立即探测到引力波的可能性仍然很小。

　　Barry Barish是加州理工的高能物理学家、LIGO的现任主任。他说，不管你期望LIGO发现什么，它都依赖于你选择的引力波产生模型。“并且现在有很多理论，”他补充说。自从LIGO计划首次被提出以来，对于可探测事件的频率和强度的估计不断下降。“他们最初对于可能的（引力波）源的数量估计过分乐观了，”新泽西普林斯顿大学的理论天体物理学家Jerry Ostriker说。Ostriker长期以来是LIGO的批评者，他认为根据今天（对于引力波）的估计，即使是未来的庞大的探测器找到任何引力波的可能性都很小。


噪声、噪声、噪声

　　技术上的困难仍然存在。实验室的主体结构完成于两年之前。但是在2001年，在汉福德的异常6.8级地震震坏了反射镜和其他光学系统，计划被延迟了3个月。然而，最困难的问题在于，当一个噪声源被清除之后，另外一个又冒出来了。Livingston地区的伐木作业持续到晚上和周末。即使是现在，LIGO也必须把诸如“固体潮”——每隔12小时由于月球引力造成的地核运动——这样的现象考虑在内。

　　这些效应能够被电子设备控制的反射镜所校正，从而过滤掉假信号。但是每一次研究者过滤掉一个信号，他们必须确认没有被上一次的调整所干扰。LIGO在Livingston观测站的主任Mark Coles解释说，这有点像从静电噪声中找到一个微弱的无线电信号。他补充说：“这有几分单调乏味。”

　　一些研究者怀疑噪声是否最终能降低到能让引力波被探测到的程度。“存在一个大问题：还有多少没有被滤除的噪声？”Tyson说。两个观测站的数据采集原计划于今年夏天开始，现在已经被推迟到今年年底。

　　但是LIGO的研究者仍然充满信心。 “如果我们一开始就能探测到什么，这不必惊奇，” Barish说，“但是如果10年之内还无所作为那么我就要被震惊了。”经过3年的运行，研究者计划申请资金更新LIGO。例如，他们希望增加更强大的激光器，并改进防震装置。

　　但是无论结果如何，LIGO将会推进引力波探测领域的研究。自从这个计划被批准之后，类似的计划也在德国、意大利、澳大利亚和日本开展。它们其中的一个——室女座（Virgo），在意大利比萨的附近——将会继LIGO之后在2003年出现，并且有与LIGO类似的灵敏度。对于这些计划是否能够克服诸如LIGO所面临的地震噪音问题的争论仍然存在，但是如果有一个以上的装置探测到了引力波，他们就能共享数据从而查明引力波的来源。


德国的GEO600

　　一个空间引力波探测器的计划也在制定中。欧洲和美国的物理学家正在设计一个在类似地球环绕太阳运行轨道上的干涉仪。它被称作激光干涉仪空间天线（LISA），由排成三角形的三颗卫星组成，卫星之间相距5百万公里。LISA有类似于LIGO的灵敏度，但是更容易捕捉到难以捕捉的低频信号，它可能被地震信号淹没掉。如资金能够得到保证，LISA的工作将会于几年内开始，卫星计划在这个十年末发射升空。

　　像LISA和LIGO这样的计划不仅仅是一个探测器——它也促成了一个研究者共同体。在美国，这个巨大的实验装置成为了整个国家30个研究机构数百名引力波研究者的核心。“我们有研究下一代探测器的实验者。我们有对数据感兴趣的理论家，”Weiss说。“并且他们没有我这么老。那是最大的变化。”


附录：广义相对论入门

　　阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论理论把引力描述成四维时空的扭曲。很难把它形象化，但是一个二维的模拟有助于弄清这个问题。

　　想象一张橡皮膜中间有一个保龄球。球就是一颗行星，它所造成的橡皮膜的变形相当于一个真实的行星扭曲时空的方式。在橡皮膜上运动的物体将会像保龄球方向滚落，正如引力会把一颗过路的彗星拉向地球。在爱因斯坦的理论中，地球吸引物体是因为它扭曲了附近的时空，正如保龄球扭曲了橡皮膜。

　　现在想象两个相互绕行的保龄球。它们将会引起橡皮膜上的涟漪，相当于两个相互绕行的恒星产生的引力波。通过研究这种涟漪，观察者就能知道恒星的运动。

　　Geoff Brumfiel是Nature在华盛顿州的物理学通讯员

Youth

有点旧的文章，刚才无意中看到的，对了解Einstein@home项目很有帮助：）

mars2

离我们还很很很远的........

xiongyu

广义才刚接触呢,哎,惭愧,后面的统一场论竟然如此难理解

fwjmath

……统一场论还没有做出来……

xiongyu

只是形式上的准备,Einstein的那点想法.

time_mars

这个坟挖得可真深

refla

越老的坟越值得挖...

20080030成电

科普好帖

zglloo

不过 后来这个科普杂志不怎么更新了

(Y)

因为没有更新的理论突破了。

就象牛顿力学成熟后，上百年都没有突破。直到晴朗的天空中那两朵乌云出现

我们还处于理论基础建立的初期。

相对论和量子论一样没有太多新的根本性的进展

[ 本帖最后由 (Y) 于 2008-8-6 22:54 编辑 ]

秋风树林

那两朵乌云带给物理学的是场洗礼呵
也许还有些更隐晦的东西还未被挖掘出来
说实话，量子论很让人惊异
但其中有些部分也太让人惊叹了
比如那啥观测引起波函数的坍缩……

(Y)

这个问题的历史也已经超过50年了吧

除非量子力学更充分地融入工业实践，或者说工业开始广泛地使用量子理论。否则很难有新的突破。

跑题了。

如果拿电场的概念来理解引力场的概念。那么相互围绕的电荷产生电磁波，就不难理解引力波了。

引力波的工程目前最大的贡献是发展了机械工程和激光技术。呵呵，开玩笑啊