标签: 引力波

五花八门的引力波探测器中，为什么是LIGO真的笑·笑出声·笑到了最后？ 1、引力波探测器的分类 爱因斯坦同志1916年就提出引力波这茬了，到六十年代左右，就有人开始琢磨怎么探测引力波。最早的引力波探测器长这样： 韦伯教授在调试他的引力波探测器（1965年） 一个大铝筒。基本原理是，如果引力波的频率跟铝筒的共振频率一致，会引起它的显著收缩-拉伸。旁边的人叫Joe Weber，公认的引力波探索先驱。他曾在1969年宣布，用这台机器测到了引力波。 但是同行重复他的实验，没有一个能重现这一结果的。所以大家认为他搞错了。 这次测到的引力波的振幅是10^-21。很明显，用越大的数字去乘这个 10^-21，会得到一个越大的结果。这个铝筒这么小，显然得不到什么结果。要知道LIGO的臂长就有4 km，内部更是让光路反射了400次，激光光路长度达到1600km，这么大的数去乘那个10^-21，才勉强得到一个大约跟质子半径一个量级的变化。所以这种几十年前的棒状引力波探测器，显然不可能有什么结果。 后来人们发展出了激光干涉仪为原理的探测器。代表就是美国的LIGO和欧洲的VIRGO。 基本原理是，把引力波扫过导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化。“干涉”几乎是精密测量的“作 弊器”，不用什么别的工具，我们能通过手机贴膜贴合不均匀处的干涉条纹，直观看出贴合间距的微小变化。LIGO也能通过测量两束相干红外激光的干涉光强，判断激光臂长的极微弱变化。 同样的原理，放到天上，能得到更长的臂长：长达数万公里。这样引力波导致的变化将更加明显。所以美欧提出了LISA计划，中国也提出了天琴计划，都是打算发射空间卫星，组成干涉仪网络，进行长距离的干涉测量。 更长的臂长——就只能靠天上本来就有的东西了：脉冲星、微波背景辐射。脉冲星的周期会受到经过的引力波的扰动，而微波背景辐射里，据信留有宇宙大爆炸时原初背景辐射的印迹。它们也可以用于示踪引力波。 波速不变的话，波长与频率成反比。臂长越长，对越长的波长更敏感，也就是对更低的频率更敏感。所以LIGO、LISA、脉冲星、微波背景辐射，它们分别示踪一系列不同频率的引力波信号，彼此互为补充，不能相互替代。 其中，LIGO这种几公里基线的激光干涉仪，对频率~100的信号最敏感——这正是双黑洞、双中子星等双致密天体并合前的一瞬发出的引力波的频率。我们前面说过，这种双星并合事件的引力波最有独特特征，最容易识别，因此不难理解，是LIGO抢先探测到了引力波。 而LISA、天琴就要低频一些了，它们对频率为~10^-2到~10^-4的信号最敏感。因此它们更适合寻找银河系中相对慢速绕转的双致密星，以及因身材庞大而转不快的超大质量双黑洞。 脉冲星适合探测频率~10^-8的引力波，宇宙微波背景辐射更是只能探测~10^-16次方这样极端低频的引力波。以上所有这些，就像是工作在不同的电磁波段一样，共同描绘出完整的引力波的多彩世界。 2、LIGO的黑科技 就算LIGO的臂长对应的引力波频率跟双黑洞并合刚好一致，就算干涉原理吊炸天，凭什么LIGO可以测得出千分之一个质子半径的细微变化？ 大陆板块在移动。大海在拍击着全球的洋底。大气呼号着。整个北美大陆的汽车轰鸣着。蚂蚁军团就在隔壁掀起了一场灭国之战。想要把所有这些噪声隔离开，专心倾听来自十几亿光年外、振幅为千分之一质子半径的波动？ 太平洋上台风肆虐，我在上海的岸边扔了一粒石子，请你在加州海滩上测出它的涟漪。 1）隔离震动 发布会上，Weiss演示了LIGO隔绝震动的基本原理：当你高频摇动一个摆的绳端，摆并不会跟你一起摇动，反而会维持稳定。 当你把这招用到极致，就是这样： 左图是升级改造前的LIGO：反射镜仅有25厘米直径，用两根钢丝吊起。而右图中，升级改造后的Advanced-LIGO，使用了远为复杂的机构，和更大、更重的反射镜，来最小化反射镜本身的晃动。 而这个东西，是吊在这里面的： 震动隔离平台。主动减震。 2）干涉 我想你已经知道了什么是干涉——如果不知道的话，看下图： 两束光，峰谷对应，得到的光峰谷分别加强，总光强更强；峰谷错位相消，则最后什么光都没有剩下。 这样，光强极为灵敏的显示了两束光的峰谷之间的细微差距。 3）功率倍增器 激光越强，干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其实只有200瓦——为将此功率倍增，LIGO让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射，并将反射后强度叠加后的光原路输回原光路，形成所谓“能量循环”，满足了LIGO的功率要求。 4）镜子 纯二氧化硅打造，每300万个光子入射，只有1个会被吸收。一个字，亮。 5）真空 LIGO的激光臂全部在真空腔内，其真空腔体积在地球上仅次于LHC（欧洲的大型强子对撞机），气压仅为万亿分之一个大气压。 6）反射 有如上所述的强激光、超洁净的镜片和真空环境，LIGO才能无所畏惧的让激光在4 km臂中反射了400次再进行干涉——这极大的增加了LIGO的有效臂长，让它能以1600 km的臂长，探测更低频的信号，并且得到更显著的测量结果。 发布会上，美国人表示“LIGO是世界上最精密的测量仪器”，诚哉。

引力波是携带能量穿过宇宙的涟漪。它最早是在1916年由阿尔伯特·爱因斯坦在其广义相对论中预言的。        前日，美国科学家宣布，他们首次探测到了在宇宙诞生之初的暴涨期中，证明引力波存在的直接证据。美国航空航天局(NASA)称，这是迄今为止，证明宇宙膨胀理论最有力的证据。到底什么是引力波？此次发现的意义何在？对此英国《卫报》网站做出了详细的解答。 　　1、什么是引力波？ 　　引力波是携带能量穿过宇宙的涟漪。它最早是在1916年由阿尔伯特·爱因斯坦在其广义相对论中预言的。尽管这一现象的存在已经有了大量的证据可以间接证明，但却从未能被科学家们直接观测到。其中的原因是这种效应太过微弱——其波动的幅度远小于一颗原子的100万倍。就像是湖面上的细微波纹——从远处看，整个湖面几乎是像镜子一样光滑的；仅有当你近距离观察湖面时才能察觉那些最细微的细节。 　　这里尤其引人注意的是，此次所观测到的是所谓“原初引力波”，这是宇宙诞生时刻发出的引力波痕迹，它隐藏着有关宇宙如何形成的关键信息。 　　2、什么是广义相对论？ 　　1916年，德国物理学家爱因斯坦发现了一种数学的方法来解释引力的本质。他将其称之为“广义相对论”。这一理论依靠一系列的坐标系统，将时间与空间结合在一起进行描述，即所谓的“时空”概念。 　　物质和能量会造成时空的扰动，就像是重物压在床垫上会凹陷一样。正是这种时空的扰动或扭曲产生了引力。而引力波正是时空中的涟漪。 　　广义相对论并非完全是难以理解的数学。它拥有深远的实际应用意义，比如它告诉我们引力如何对时间造成影响，而这对于现代的卫星导航定位就十分关键。 　　3、这项发现的重要意义在哪里？ 　　如果哈佛大学的科学家们此次的发现被证实，那么有两个理由认为这将是极重要的成就。首先，它开启了研究宇宙的一扇全新大门，从而让天文学家们得以考察产生这些引力波的背后机制和过程。第二，它证明一项关键性的理论，即所谓“暴涨”理论是正确的。这将帮助科学家们更好的了解宇宙的起源，即大爆炸理论。 　　4、引力波是如何被探测到的？ 　　这是一台设置在南极的望远镜，名为“宇宙泛星系偏震背景成像”(Bicep)。科学家们利用这台设备探测宇宙微波背景辐射中一种微弱的特性。这种辐射是宇宙诞生之初的大爆炸中产生的，最早在1964年由两位美国科学家使用一台射电望远镜发现，自那之后便被称作是“大爆炸的回声”。Bicep对这一微波背景辐射的大尺度偏振状态进行了测量。只有原初引力波才具有这种特殊性质，也只有当它们被暴涨放大之后才能被探测到。 　　5、什么是暴涨？ 　　宇宙大爆炸理论最初是由比利时牧师兼物理学家乔治·勒梅特(Georges Lemaître)提出的。他将其称为是“没有昨天的一天”，因为那是时间和空间的开端。 　　但大爆炸理论并非与所有天文观测结果相吻合。宇宙中物质的分布太过均匀，以至于难以用原先认为的大爆炸理论进行解释。于是在上世纪1970年代，宇宙学家们提出宇宙在大爆炸之后的短暂时期曾经经历一段急剧快速膨胀的阶段，这就是暴涨，它被认为发生在宇宙诞生后的一瞬间。但要想证明这一点是极端困难的。只有暴涨才能将原初引力波放大到足以被检测到的水平。因此如果我们能够探测到原初引力波，那么这就意味着暴涨必定确实发生过。 　　6、下一步做什么？宇宙学家们还有活干吗？ 　　当然。现在才只是万里长征走完了第一步。爱因斯坦本人便已经意识到他的广义相对论与物理学的另一项基础理论：量子论之间不相容。广义相对论从宏观尺度上探讨引力和宇宙，而量子论则从微观尺度上探讨粒子以及其他的自然力。全世界的物理学家们都无法找到让这两大理论相容的方法。原初引力波是当引力、宇宙与粒子以及其他自然力在同一尺度下运作时产生的效应。此次探测的结果以及后续的进一步分析将告诉我们这一点是如何实现的。而如果这一点被理解，那它将有助于物理学家们最终构建起所谓的“终极万物定理”。