科学家造超级设备检测引力波：激光干涉技术

晨风

据物理学家组织网站报道，我们对于宇宙的理解来自我们长久以来的观测，而现在，人类已经站在一个临界点上，或许我们即将发现长久以来一直未能被观测到的东西。

这就是引力波。对于这种神秘现象的搜寻已经持续了一个世纪。这是爱因斯坦广义相对论所预言的一种现象，但是长久以来物理学家们一直在争论其是否的确真实存在。

1957年，物理学家们证明，如果引力波的确存在，那么它必定要携带能量并因此引发震荡。但同样显而易见的一点是，这些携带能量比太阳光高出100万倍的波所引发的震荡幅度将会比一个原子核直径还要小。

要想检测这样的波动，建造相应的探测装置似乎是一个不可能完成的任务。但就在1960年代，马里兰大学一名标新立异的物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）开始尝试设计第一款这样的装置，并且在1969年宣布取得了成功！

这一消息引发一片兴奋和惊愕之情。如此巨大的能量如何能与我们对恒星和星系的理解相协调？于是，一股科学的淘金热诞生了。在两年内，全世界的顶尖实验室便研制出了10种新型探测设备。但实际进行检测的结果是一样的：什么都没有发现。

需要更好的设备

有些物理学家感到灰心，放弃了这一领域的研究。但在接下来的40多年里，有越来越多的物理学家们参与了进来，他们致力于研制灵敏度更高的探测设备。到了1980年代，全世界范围内的科学家们相互合作，致力于研制5台称作“低温谐振杆”的新型设备，其中一台名为“NIOBE”的探测器设在西澳大利亚大学。

这些探测器简单来说就是一些被冷却到接近绝对零度的金属棒。科学家们使用超导探测器，其精度比韦伯当年的检测水平高出100万倍。

1990年代的大部分时间这一探测系统一直都在运行。如果银河系内的两个黑洞发生碰撞，或是一个新的黑洞形成，这一探测系统都应该能够“听见”在宇宙中传来的轻微时空“涟漪”。但事实是，一片寂静。

但在研制和使用“低温谐振杆”系统的期间，科学家们也的确得到了一些经验和教训。他们加深了对量子论如何影响测量结果方面的理解，即便在吨一级的尺度上也是如此。这些探测器的研制迫使科学家们转向采用新的测量方法。如今这已经成为一个主流研究领域，称作“宏观量子力学”。

但检测的零结果并不意味着一切的终结，而是说明我们必须对宇宙开展进一步的研究。黑洞碰撞在某一个特定的星系中可能非常罕见，但如果你对数以百万计的星系进行监测，那么它就将成为一种普遍的现象。

激光束

现在，科学家们急需一种新的技术，能够大大提升检测系统的敏感度。到了2000年，这种技术终于出现了，这就是所谓“激光干涉技术”。

这项技术简单来说就是使用激光束来测量两块相距遥远的镜子之间的细微震动。而这两块镜子之间的距离越大，检测到的震动也会越大！而如果转而采用L型的镜子排布，则将可以让信号强度翻倍，并排除来自激光的噪音信号。

几个物理学家小组花费多年时间对这项技术进行研究，其中就包括一个来自澳大利亚国立大学的小组。激光测量可以在很大的空间尺度上进行，因此科学家们在美国、欧洲和日本建造了直径达到4公里的巨型探测器。

澳大利亚引力天文学委员会在该国珀斯以北建造了一个研究中心，作为未来在南半球开展引力波研究的探测器。世界需要这样做，因为只有这样做，科学家们才有可能采用三角测量法计算出信号源的位置。

最新的探测器

这一新的探测器方案包括两个阶段。由于该项目包含巨大的技术挑战，因此第一步的目标仅是验证激光技术的确可以在4公里的尺度下开展应用，但在此期间使用较低能级的激光束，这意味着其能够探测到任何信号的可能性仅有几个百分点。

这些大型探测器都被放置在世界上最大的真空系统之中，其使用的镜面必须要比望远镜水平的镜面还要光滑100倍，必须采取措施抵消地震波的影响，并且实验中使用的激光束必须是最为纯净的光束。

项目的第二阶段，研究人员将建造完成更大的镜面，使用强大得多的激光束，采用更加精确的震动控制技术。这套系统一旦建成，预计其高灵敏度将使其每年检测到20～40次中子星碰撞形成黑洞的事件。

在计划开展这两个阶段的研制工作期间，澳大利亚都受到美国方面的盛情邀请。澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）将承担系统中超高精度镜面的制造工作，这是整个系统的核心组件之一。

集思广益

澳大利亚方面在今年早些时候召开会议，商讨这项新的国家计划的议题。该计划的一部分是建造一座80米尺度激光研究设施，就相当于某种小型版的引力波探测装置。研究人员在这里开展涉及新型探测器的物理学实验，尤其着重于激光方面的研究。

这里的研究组已经发现了几种新的现象，其中包括激光的光子从声波的“颗粒”——声子上发生的反射。这一现象有着重要意义，因为它可以作为一种工具，让研究人员防止这一新型探测系统中存在的不稳定性。

光能也可以被制成“光柱”——回想一下《星球大战》中的光剑吧！这种装置可以捕捉更多的引力波能量，从而打开一扇通向未来新型引力波探测器研制可能性的大门。

发现的最后阶段

2006年，这套系统第一阶段的研制达到其灵敏度目标，并且和预期的一样，他们没有探测到任何信号。

按照计划，第二阶段的探测器建造将在明年开始。澳大利亚的研究组目前正在为此进行准备，因为这套新型探测器将完全改变现有的游戏规则。

历史上第一次，我们对可能的结果有了坚实的预期：我们知道信号应该具有的强度，我们也知道应该出现的信号数量。我们已不再需要苦苦等候罕见而难以预期的事件发生。

我们将得以首次对大范围的宇宙空间开展监视，我们也非常有信心，我们将能够“听见”遥远的宇宙深处发生的中子星合并事件，或是黑洞的诞生。

一旦这套系统完全建成，预计我们几乎将每周就能接收到一次信号。但究竟何时我们能够达到这一程度，目前还很难说，没人可以打包票。我们必须学习如何操控这套巨大而复杂的设备。

但如果你非要针对人类首次探测到引力波给出一个具体的年份，那么很多物理学家会建议你选择2016年，更多则会建议你选择2017年。但也有很多持有悲观态度的科学家们认为我们将可能遇到难以预料的问题，并为此额外花费数年时间来予以解决。

（选自新浪科技）endprint