從2015年9月至今，“引力波之發(fā)現(xiàn)”的消息像一只調(diào)皮的幽靈，以形形色色的版本穿梭于天文和物理學(xué)界，它時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，像劑量不斷增強(qiáng)的興奮劑，一次次激起人們的窺探欲。

　　在北京時(shí)間2月11日晚11點(diǎn)30分，美國國家科學(xué)基金會(huì)就探測引力波的研究進(jìn)展進(jìn)行報(bào)告。LIGO科學(xué)合作組織面向全社會(huì)宣布，LIGO首次直接探測到引力波和首次觀測到雙黑洞碰撞與并合，科學(xué)家直接探測到了引力波！

　　五花八門的引力波探測器中，為什么是LIGO笑到了最后？

　　引力波探測器哪家強(qiáng)

　　愛因斯坦1916年就提出引力波這茬兒了，到上世紀(jì)六十年代左右，就有人開始琢磨怎么探測引力波。最早的引力波探測器長這樣：

　　一個(gè)大鋁筒?；驹硎?，如果引力波的頻率跟鋁筒的共振頻率一致，會(huì)引起它的收縮—拉伸。旁邊的人叫喬·韋伯(Joe Weber)，公認(rèn)的引力波探索先驅(qū)。他曾在1969年宣布，用這臺(tái)機(jī)器測到了引力波。

　　但是同行重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)，沒有一個(gè)能重現(xiàn)這一結(jié)果的。所以大家認(rèn)為他搞錯(cuò)了。

　　這次測到的引力波的振幅是10-21。很明顯，用越大的數(shù)字去乘這個(gè)10-21，會(huì)得到一個(gè)越大的結(jié)果。這個(gè)鋁筒這么小，顯然得不到什么結(jié)果。要知道LIGO的臂長就有4km，內(nèi)部更是讓光路反射了400次，激光光路長度達(dá)到1600km，這么大的數(shù)去乘那個(gè)10-21，才勉強(qiáng)得到一個(gè)大約跟質(zhì)子半徑一個(gè)量級的變化。所以這種幾十年前的棒狀引力波探測器，顯然不可能有什么結(jié)果。

　　后來人們發(fā)展出了激光干涉儀為原理的探測器。代表就是美國的LIGO和歐洲的VIRGO。

　　其基本原理是，把引力波掃過導(dǎo)致的長度變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榧す飧缮娼Y(jié)果的光強(qiáng)變化。“干涉”幾乎是精密測量的“作弊器”，不用什么別的工具，我們能通過手機(jī)貼膜貼合不均勻處的干涉條紋，直觀看出貼合間距的微小變化。LIGO也能通過測量兩束相干紅外激光的干涉光強(qiáng)，判斷激光臂長的極微弱變化。

　　同樣的原理，放到天上，能得到更長的臂長：長達(dá)數(shù)萬公里。這樣引力波導(dǎo)致的變化將更加明顯。所以美歐提出了LISA計(jì)劃，中國也提出了“天琴計(jì)劃”，都是打算發(fā)射空間衛(wèi)星，組成干涉儀網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行長距離的干涉測量。

　　更長的臂長就只能靠天上本來就有的東西了：脈沖星、微波背景輻射。脈沖星的周期會(huì)受到經(jīng)過的引力波的擾動(dòng)，而微波背景輻射里，據(jù)信留有宇宙大爆炸時(shí)原初背景輻射的印跡。它們也可以用于示蹤引力波。

　　波速不變的話，波長與頻率成反比。臂長越長，對越長的波長更敏感，也就是對更低的頻率更敏感。所以LIGO、LISA、脈沖星、微波背景輻射，它們分別示蹤一系列不同頻率的引力波信號，彼此互為補(bǔ)充，不能相互替代。

　　其中，LIGO這種幾公里基線的激光干涉儀，對頻率約為100的信號最敏感——這正是雙黑洞、雙中子星等雙致密天體并合前的一瞬發(fā)出的引力波的頻率。這種雙星并合事件的引力波最有獨(dú)特特征，最容易識別，因此不難理解，是LIGO搶先探測到了引力波。

　　而LISA、“天琴”就要低頻一些了，它們對頻率為約為10-2到10-4左右的信號最敏感。因此它們更適合尋找銀河系中相對慢速繞轉(zhuǎn)的雙致密星，以及因身材龐大而轉(zhuǎn)不快的超大質(zhì)量雙黑洞。

　　脈沖星適合探測頻率約為10-8的引力波，宇宙微波背景輻射更是只能探測約為10-16次方這樣極端低頻的引力波。以上所有這些，就像是工作在不同的電磁波段一樣，共同描繪出完整的引力波的多彩世界。

　　LIGO的“黑科技”

　　就算LIGO的臂長對應(yīng)的引力波頻率跟雙黑洞并合剛好一致，就算干涉原理吊炸天，憑什么LIGO可以測得出千分之一個(gè)質(zhì)子半徑的細(xì)微變化？

　　大陸板塊在移動(dòng)，大海在拍擊著全球的洋底，大氣呼號著，整個(gè)北美大陸的汽車轟鳴著，螞蟻軍團(tuán)就在隔壁掀起了一場滅國之戰(zhàn)……想要把所有這些噪聲隔離開，專心傾聽來自十幾億光年外、振幅為千分之一質(zhì)子半徑的波動(dòng)？

　　這就好比太平洋上臺(tái)風(fēng)肆虐時(shí)，我在上海的岸邊扔了一粒石子，請你在加州海灘上測出它的漣漪。但總的來說我們有這么幾個(gè)辦法。

　　隔離震動(dòng)

　　當(dāng)你把這招用到極致，就是這樣：

　　左圖是升級改造前的LIGO：反射鏡僅有25厘米直徑，用兩根鋼絲吊起。而右圖中，升級改造后的Advanced-LIGO，使用了遠(yuǎn)為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，和更大、更重的反射鏡，來最小化反射鏡本身的晃動(dòng)。

　　干涉

　　兩束光，峰谷對應(yīng)，得到的光峰谷分別加強(qiáng)，總光強(qiáng)更強(qiáng)；峰谷錯(cuò)位相消，則最后什么光都沒有剩下。

　　這樣，光強(qiáng)極為靈敏的顯示了兩束光的峰谷之間的細(xì)微差距。

　　功率倍增器

　　激光越強(qiáng)，干涉產(chǎn)生的圖樣越清晰易測量。為了保證效果，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其實(shí)只有200瓦——為將此功率倍增，LIGO讓入射的激光首先在很多鏡面之間來回反射，并將反射后強(qiáng)度疊加后的光原路輸回原光路，形成所謂“能量循環(huán)”，滿足了LIGO的功率要求。

　　鏡子

　　純二氧化硅打造，每300萬個(gè)光子入射，只有1個(gè)會(huì)被吸收。一個(gè)字，亮。

　　真空

　　LIGO的激光臂全部在真空腔內(nèi)，其真空腔體積在地球上僅次于LHC（歐洲的大型強(qiáng)子對撞機(jī)），氣壓僅為萬億分之一個(gè)大氣壓。

　　反射

　　有如上所述的強(qiáng)激光、超潔凈的鏡片和真空環(huán)境，LIGO才能無所畏懼的讓激光在4km臂中反射了400次再進(jìn)行干涉——這極大地增加了LIGO的有效臂長，讓它能以1600km的臂長，探測更低頻的信號，并且得到更顯著的測量結(jié)果。

　　發(fā)布會(huì)上，美國人表示“LIGO是世界上最精密的測量儀器”，誠哉。

　?。ǜ寮碓矗何⑿殴娞柼煳陌素詫W(xué)，作者系國家天文臺(tái)在讀博士）