什幺是LIGO?为什幺他们可以得诺贝尔奖?

2020-06-16 202人围观 ,发现25个评论

什幺是LIGO?为什幺他们可以得诺贝尔奖?

当数值相对论学者不断挥拳而打不中目标的同时,建造一部有效率的重力波侦测仪的计画也在进行着。这一次,不应该再有超过仪器灵敏度範围的假发现,韦伯的时代已经过去了。雷射干涉仪是物理学家的首选做法,但是这仪器有很严格的使用要求。雷射光必须走够长的距离,以至于两块重物因受到重力波而发生的微小偏移能透过干涉图案被发现。即使是使用数公里长的雷射干涉仪,雷射光都必须在固定于重物上的镜子间来回反射,超过一百次。这些镜子必须非常完美而且方向调整到完全一致。然而就算是这样,偏移的现象还是非常微小。从轨道逐渐变小的双星而来的一阵重力波,只会导致不及一个质子宽度的偏移。

一部能真正侦测到来自外太空的重力波的雷射干涉仪,几乎不可能被建造出来。这样的仪器要能真正运作,雷射光就必须行走数公里的距离,而且发生不到一个原子宽度的偏移。这样的装置必须像是悬浮在空中一样,以免受到日常生活中周遭噪音的干扰 ,而且它必须配合完美的镜子及最先进的讯号处理机制,才能侦测到那些难以被观测到的偏移。这仪器还要有办法将其他因素所产生的偏移区别开来,例如,地球的潮汐(它会让物体产生几分之一毫米的偏移)、远处高速公路上卡车所产生的隆隆声,以及整个实验的电子设备本身的振动等等所产生的影响。

在每一方面它都必须是完美的,但如此一来它就要变得非常大。在雷射干涉仪开始慢慢成为重力波领域的主流时,事情变得很清楚,它们的大小及造价会大大限制我们所能建造的雷射干涉仪的数目。在欧洲,英国与德国合作建造了一个名为GEO600的雷射干涉仪,它的臂长大约六百公尺,基地位在德国萨尔斯特(Sarstedt)附近。一个比它大得多、名为Virgo(根据内含超过一千个星系的星团处女座而命名)的雷射干涉仪,臂长达三公里,是由法国与义大利一起构思,建造在义大利的卡西那(Cascina)。在日本,一个较小的雷射干涉仪TAMA,臂长为300公尺。

重力波雷射干涉仪的典範是LIGO(the Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory,雷射干涉仪重力波观测站)。它最初是由两位实验物理学家,MIT的魏斯(Rainer Weiss)和加州理工学院的德瑞弗(Ronald Drever),以及理论物理学家索恩所领导。建造LIGO的想法始于1970年代初期,但它的诞生非常困难、不顺利。

在建造完成之后,它将是远比其他雷射干涉仪都大的一部干涉仪。事实上,它不是一部而是两部雷射干涉仪,一部位于华盛顿州的汉弗德(Harford),另一部位于路易斯安那州的李文斯敦(Livingston)。因为这两部侦测器相距甚远,LIGO可以把来自区域杂讯、地震或交通的讯号排除。如果LIGO可以和其他侦测仪(比方说GEO600)合作,它很有机会可以锁定重力波来源的方向,因而成为真正的观测站,一台名符其实的望远镜。

那时候还没有人準确知道他们该预期侦测到什幺讯号,或者,这样的仪器到底够不够敏感。LIGO必须要分两个步骤来建造。首先,他们需要先建造一部「概念验证机」(proof of concept),这是一部须依照相对论学者及实验学家想要的运作模式来运作的巨大原型机。这个过程预计要花十年以上的时间。只有在经过这个阶段后,LIGO才能升级并且开始搜寻有意思的东西。

这个计画要花费很长的时间,但是如果LIGO真的能看到重力波,那幺其回报将会非常惊人。它们的侦测将让我们可以用一个崭新的方式,而不是採用光、无线电波或是任何其他的传统方式,来观察宇宙。它也会成为观察爱因斯坦广义相对论的一扇全新窗户,因为虽然大多数人都相信重力波存在,但是并没有人真正直接看到它们。LIGO的发现重力波,其重要性不下于二十世纪初电子、质子与中子的发现。可以确定的,这个实验若成功,一定可赢得诺贝尔奖。(编按:这个团队因为证实了爱因斯坦的「重力波」,在2017年获得诺贝尔物理学奖。)

并不是所有人都殷切期盼LIGO的到来。LIGO的建造与运作,预计需要花数亿美元,因而它必须从其他研究计画那边将经费吸过来。无可避免地,LIGO从其他重力波实验那里抢到钱,但是它对经费补助所带来的冲击,也侵害到其他领域。藉由将自己称为一座观测台,LIGO也已经踩到天文学家的脚上。

天文学家看见LIGO把宝贵的经费从他们自己的研究上吸走。在1991年《纽约时报》的一篇文章中,来自贝尔实验室、早期曾经参与重力波研究的泰森(Tony Tyson)这幺说:「天文物理学界大半的人似乎都觉得,就算重力波信号真的被侦测到了,我们也很难从其中获得任何重要资讯。」 奥斯崔克(Jeremiah Ostriker),普林斯顿的一位知名天文物理学家,告诉《纽约时报》,全世界「应该等待某人想出一个比较便宜也比较可靠的重力波侦测法再说。」

天文物理学家们勇于发声,而且几乎是愤慨地,表达对LIGO计画的反对。在1990年代初期,由普林斯顿高等研究院的巴可(John Bahcall)担任主席的一个天文学家评审团,被要求为当时的天文学研究计画排名,来作为美国研究经费优先补助的参考,结果他们连把LIGO纳入他们的排名内都不愿意。

美国国家科学基金会拒绝了LIGO的前两次申请案,在它第一次提出申请案的5年后,才通过它的第三次申请案,补助的总预算为2亿5千万美元。对于一个很可能根本就不会看到任何东西,而且,乍看之下,在技术上根本就不可能被建造出来的仪器来说,这样的金额似乎是太多了。然而,1992年,在构思、设计及梦想了将近20年后,一个完美的实验计画终于可以开始执行。

【书籍资讯】
摘自《完美的理论》
什幺是LIGO?为什幺他们可以得诺贝尔奖?
数位编辑整理:谢富晟,朱玉莹
Photo:wikipedia,CC2.5 Licensed.

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