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華人科學家：愛因斯坦都不敢想象,我們探測到引力波(2)

2016-02-12 10:07:45  知社學術圈    參與評論()人

這些天文學中的觀測現(xiàn)象從一個側面證明了黑洞的存在，但是目前還沒法很精確的測定黑洞附近的幾何結構,。這些黑洞也都是隨時間不變的穩(wěn)定黑洞,，它們周圍的時空結構,，在我們觀測的這段時間內(nèi)是不變的,。

引力波

愛因斯坦在1916年就預言了引力波的存在: 他發(fā)現(xiàn)自己的方程有一組解，和電磁波的性質類似,，以光速傳播,。但是他在文章里又說（下圖中最后一句）,，因為這個引力波輻射的能量很少，在所有能想得到的情況下,，引力波的輻射都可以被忽略,。

在一個自由下落的物體參照系中，引力波可以看成是一個“潮汐引力場”,。也就是說,，距離這個物體越遠的物體，它感受到的引力場越大,。在自由物體之間,，潮汐引力場會引起他們相對位移按比例的變化（也就是“應變”）。引力波的振幅h,，通常就用這個應變來代表,。

韋伯和他設計的共振棒探測器。引力波驅動鋁棒兩端振動,，從而擠壓表面的晶片,，產(chǎn)生可測的電壓。圖片來自：馬里蘭大學,。

雖然引力波這么微弱,，但還是沒有嚇倒勇敢的實驗物理學家Joe Weber。他深信,，雖然地球上產(chǎn)生的引力波很微弱,，宇宙空間中也許有天文現(xiàn)象可以導致足夠強的引力波。20世紀60年代末期,，Weber開始用共振法測量引力波,。具體就是用一個很大的金屬物體，利用引力波在物體的諧振頻率上引起共振的特點,，希望從這個物體的振動中提取引力波的信號,。Weber發(fā)表了一些實驗結果，認為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了引力波,。但是很可惜,，他的實驗沒有人可以重復，而理論上也很難論證究竟是什么樣的過程發(fā)出了這么強烈的引力波信號,。但是,，Weber的工作激勵了一批科學家投身引力波事業(yè)。從20世紀70年代起,，一批理論和實驗物理學家加入了引力波理論研究和實驗探測的行列,。

MIT的實驗物理學家Weiss注意到，引力波對物體之間距離的變化,，和物體之間本來的距離成正比,。這樣的話,，如果把物體之間的距離拉的很遠，并且把它們做成鏡子,，然后用激光測距的方法測量鏡子之間的距離,，就可以成倍的提高對引力波測量的精度。

LIGO的靈敏度和運行

LIGO探測器在1999年最初建成,，然后花了5年時間,，在2005年到達了設計靈敏度，可以測量在60Hz以上,，10kHz以下的引力波,，位移變靈敏度達到10^-21。這是什么概念呢,？這樣的應變,，如果是用到從地球到太陽之間的距離，導致的距離變化不超過頭發(fā)絲的十萬分之一,。換算到千米量級的臂長,，它對檢驗質量位移的靈敏度可以達到10^-18米，是原子核大小的1/1000,！

LIGO為什么可以達到比原子核大小還要小的靈敏度呢,？

從光學定位的角度考慮，這是因為LIGO用了很強的激光,，并且使用了光學諧振放大的方法,。每一個光子，可以對位置進行一個光波長左右的測量,。而光子在諧振腔中反復傳播100次,，就可以測量光波長百分之一的距離變化，也就是10^-8米,。如果用多個光子,，靈敏度會按光子個數(shù)的平方根增加。于是,，10^20個光子,，就可以達到10^-18米的靈敏度了。

而從原子尺度考慮,，則是因為LIGO的光束打在了很多個原子上,，這個平均的效應讓我們可以測量到比單個原子尺寸更小的位移。在2003到2009年這段時間,，LIGO-1采集了一些數(shù)據(jù),，并且作出了分析。但是在這個數(shù)據(jù)里面并沒有發(fā)現(xiàn)引力波,。從2009到2015年,，LIGO進行了歷時6年的升級，從LIGO-1升級到LIGO-2,，也就是Advanced LIGO,。

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