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華人科學(xué)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(xué)術(shù)圈    參與評論()人

這些天文學(xué)中的觀測現(xiàn)象從一個側(cè)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)，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(yù)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(zhì)類似，以光速傳播。但是他在文章里又說（下圖中最后一句）,，因?yàn)檫@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(yuǎn)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(yīng)變”）,。引力波的振幅h，通常就用這個應(yīng)變來代表,。

韋伯和他設(shè)計的共振棒探測器,。引力波驅(qū)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(xué)。

雖然引力波這么微弱,，但還是沒有嚇倒勇敢的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(dǎo)致足夠強(qiáng)的引力波,。20世紀(jì)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果,，認(rèn)為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了引力波。但是很可惜,，他的實(shí)驗(yàn)沒有人可以重復(fù),，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(qiáng)烈的引力波信號。但是,，Weber的工作激勵了一批科學(xué)家投身引力波事業(yè),。從20世紀(jì)70年代起，一批理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家加入了引力波理論研究和實(shí)驗(yàn)探測的行列,。

MIT的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(yuǎn)，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(yùn)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(dá)了設(shè)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(dá)到10^-21,。這是什么概念呢？這樣的應(yīng)變,，如果是用到從地球到太陽之間的距離,，導(dǎo)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(yàn)質(zhì)量位移的靈敏度可以達(dá)到10^-18米,，是原子核大小的1/1000！

LIGO為什么可以達(dá)到比原子核大小還要小的靈敏度呢,？

從光學(xué)定位的角度考慮,，這是因?yàn)長IGO用了很強(qiáng)的激光，并且使用了光學(xué)諧振放大的方法,。每一個光子,，可以對位置進(jìn)行一個光波長左右的測量。而光子在諧振腔中反復(fù)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(dá)到10^-18米的靈敏度了,。

而從原子尺度考慮，則是因?yàn)長IGO的光束打在了很多個原子上,，這個平均的效應(yīng)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(jìn)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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