时空的涟漪：我们或将5年内检测到引力波

引力波是根据爱因斯坦在1916年提出的理论预言存在的一种现象，它是时空的涟漪。而美国国家科学基金会(NSF)迄今资助的最为雄心勃勃的计划便是一项名为“激光干涉引力波观测台”(LIGO)的项目。LIGO包括两台L型的干涉仪，各自拥有长达4公里的长长轨道。而在轨道的尽头悬挂有镜片，这些镜片的运动被以相当于一个质子直径1/1000的精度进行测量记录。这项史无前例的项目是由美国加州理工学院和麻省理工学院联合实施的，初期的LIGO设施于2001年开始投入运行，而经过升级，技术更加先进的LIGO设施则于近日(5月19日)开始投入运行。

　　巴里·巴里希(Barry Barish)是一位已退休的著名物理学教授，在1994年~1997年之间曾经担任LIGO项目的首席科学家，并在1997年~2006年间担任LIGO项目主管一职。斯坦·维特康姆(Stan Whitcomb)在1980年~1985年之间担任加州理工学院助理教授并在1991年返回校园担任专业教职并在那之后多方参与到LIGO项目之中。以下便是对这两位专家的采访问答：

　　问：LIGO项目是如何开始的？

　　巴里希：爱因斯坦并不认为引力波是可以被探测到的，因为引力太弱了。但在上世纪60年代，马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)使用整整一公吨的铝材制成了一根153厘米长的金属棒。这根金属棒的天然频率是大约1000Hz。 崩塌的超新星会产生处于这一频率的引力波，如果这样的引力波穿过这根金属棒，金属棒产生的共振效应或许可以对信号进行足够的放大，从而让我们能够测量到。 这是一个非常天才的想法，并且基本可以说是在实验学上开启了这一领域的研究。然而你所能制造的金属棒尺寸毕竟有限，而且你能观测到的信号也在很大程度上取 决于你的探测器规模有多大。

　　我们后来从英国格拉斯哥大学招募来的物理学教授荣·德雷弗(Ron Drever)开始着手在这一棒状探测器项目上继续向前推进。然而当我们雇佣他时，他正和MIT的莱纳·维斯(Rainer Weiss)各自独立地进行着干涉仪型探测器的开发——这是此前由他人率先提出的想法。一般情况下你会牢牢固定你的镜子这样它们才不会乱晃，但在LIGO中使用的反射镜必须是能够自由晃动的，这样引力波效应才能推动它。要想将非常巨大而笨重的设施与非常高精度的测量相结合是一件非常困难的任务。

　　维特康姆：尽管棒状探测器方案似乎是当前看来灵敏度最高的方案，但要想最终达到探测器所需要的灵敏度，其实现的难度要大得多。吉普·索恩(Kip Thorne)非常明智地让加州理工转而进行干涉仪型探测器方案的开发并在那之后不断予以推动。

　　荣在格拉斯哥大学的团队已经建造了一台长10米的干涉仪型探测器，这已经是他们所拥有的全部空间了。而我们根据他们的设计，建造了一台长40米 的探测器，但在建造的过程中尽可能的对原设计进行了改进。那段时间我们整天与氩离子激光打交道，这在当时是最好的选择，但同时也非常危险。使用时，冷却水 会向系统引入很严重的震动干扰，导致我们难以达到原先设计的灵敏度目标。我们还需要设计控制系统，在当时的条件下我们必须采用模拟电路。并且我们还获得了 首批“超级镜面”。这些实际上都属于军事技术，但我们成功地将其转为科学用途。干涉设施的延展越长，它的灵敏度就越高，而整个设施的有效长度便是光线在其 中累计距离。我们会让光线在管道中往返反射数百次，从而使其干涉效应与一台长度数千公里的干涉仪灵敏度相当。

　　问：与麻省理工的合作是从何时开始的？

　　巴里希：维斯和德雷弗当时分别在MIT和加州理工运行着各自研发的项目，直到物理学教授，加州理工学院的教务长罗比·沃格特(Robbie Vogt)将他们两人带到了一起。这两人对待世界的态度迥异，但罗比不知如何，最终成功地让这两人携手开展合作。

　　于是罗比立即着手撰写提交给国家科学基金会的项目提案，时间是1989年。那份分为两卷，厚达300页的文件中包含了一些关键性的设想，技术和概念——它们正是如今LIGO设施的基础。尽管相比当时的设计，今天的LIGO设施在很多细节方面已经有所不同，很多东西已经被设计出来，但最基本的东西仍然源自当年的那份框架文件。

　　维特康姆：当我在1991年回归时，LIGO已经成为一项由加州理工与麻省理工共同实施的联合项目，但它只有一名主管，那就是罗比·沃格特。罗比当时找来很多工程师，其中很大一部分是从喷气推进实验室(JPL)租借来或是招募来的，这些人将进行具体的工程设计。已故的伯德·摩尔(Boude Moore)是我们聘请的真空工程师，他设计了如何利用低氢不锈钢材料建造LIGO设 施高真空系统的方案。这是此前从未遇到过的问题。金属中吸收的氢原子会在整个系统的生命周期内缓慢排出，但我们的这一系统灵敏度非常高，只要有一个流浪原 子碰到我们的镜子都会引发数据误差。而伯德所从事的是一些相对大尺度上的测试工作，主要是在同步加速器建筑内部，但我们也在加州理工的足球场旁边建造了一 台80米长的测试原型，就在体育馆的后面。

　　于是所有各项测试便在不同的地点零散地开展起来了，并且在40米的干涉仪型探测器上实现了整合。当时我们使用的仍然主要是模拟电路，但我们有了一台新的真空系统。随后我们重新设计了悬挂系统并在探测器中增加了几项新的功能，此时我们拥有了所需的灵敏度指标，为建造4公里管道长度的大型探测器LIGO做好了准备。最后，也是在1991年，我们得到反馈消息，国家科学基金会批准了我们建造这一超级设施的计划。

　　问：华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿这两处地点是如何选定的？

　　维特康姆：我和LIGO项目的首席工程师比尔·阿特豪斯(Bill Althouse) 共同负责地点评估委员会的工作。我们拜访了大多数的候选地点并对它们开展评估，并向国家科学基金会提交一份推荐地点名录。我们有着一系列的评定标准。工程 方面的标准包括地面的平整性，在结冰条件下土地的膨胀隆起效应，需要额外修建多少道路以及整体施工成本等等。另外我们还要考虑场址距离人口居住区的距离远 近，以及铁路或机场这样潜在的干扰来源。我们在科学方面也有判定依据，比如说我们希望这两个最终选定的地点之间能够尽可能的远。我们也希望LIGO的位置能够确保它未来也可以与欧洲提出的的两大探测器方案——GEO(位于德国汉诺威)以及Virgo(位于意大利突斯卡尼)之间能够开展协同观测。我们需要能够利用三角法测定一个信号源在天空中的位置，因此我们不希望LIGO的两个位置与这两个欧洲项目中的任何一个处在同一条直线上。

　　问：为何升级后的LIGO变得更加灵敏了？

　　巴里希：好的，这其中的原因比较复杂。大多数灵敏度非常高的物理学实验项目都是由于背景干扰的存在而使其性能受到了限制，因此你需要将注意力集中在这一方面并想办法消除或降低这种干扰。但相比之下，LIGO则面临着三方面的局限性：我们正在尝试在10Hz~10KHz之间的广阔波段中搜寻引力波可能留下的蛛丝马迹。我们的地球是一个难以置信的震动来源，因此在10Hz到大约100Hz之 间的频率上，我们必须设法将自己与这种来自地球的天然震动进行隔绝。另外在非常高的频率上，我们的取样速度必须足够快，以便能够获取信号，这样一来我们就 受到了来自激光功率大小的限制因此它决定了我们能够在极短时间内获取的光子数量。而在中等频率区，我们还要受到我们称之为“热干扰”的信号制约，那是因为 我们使用的反射镜自身内部的原子也存在运动。


　　升级后的新版LIGO设施安装了功率强劲地多的激光系统用于应对高频率方面的需求；我们改进了隔绝系统，包括自动补偿系统来应对来自地球的本底震动信号干扰；另外我们有了更大的实验载荷并使用了更好的反射镜涂层，确保将热干扰信号降到最低。所有这些改进在1989年的那份文件中都有。当时那份文件中建议我们使用当时已经成熟的技术来建造LIGO设施，那些技术都已经在40米试验设施上进行了验证。而现在建成的升级版LIGO设施也同样是应用了在初始版LIGO投入运行之后我们在40米试验设施上检验得到的新技术。而现在我们正在40米试验设施上开展新一轮试验，从而为下一次的技术升级做好准备。

　　问：你认为距离探测到引力波信号还有多远？

　　巴里希：我一直以来都非常希望我们能够在2016年就能探测到引力波信号，因为那是爱因斯坦发表有关理论的100周年纪念。然而升级后的LIGO设施将需要大约3~5年的时间才能达到其设计灵敏度，但我们在此期间也会不断收集数据，因此我们取得发现的机会将不断增大。根据设计，升级后的系统灵敏度和检测概率都将得到大幅提升。灵敏度意味着你能够探测到多远的信号，并且这种探测空间的增加是以距离的三次方进行的。

　　当我们从1989年起步时，一些人对此持有怀疑态度，认为这可能又是一项跟核聚变类似的项目。他们一直认为人类距离实现核聚变还有至少50年的时间。而对于LIGO，一般的看法是认为我们距离探测到引力波还有大约10年的时间，但我认为可能并不需要10年那么久，或许5年之内我们就将迎来曙光引力波是根据爱因斯坦在1916年提出的理论预言存在的一种现象，它是时空的涟漪。而美国国家科学基金会(NSF)迄今资助的最为雄心勃勃的计划便是一项名为“激光干涉引力波观测台”(LIGO)的项目。LIGO包括两台L型的干涉仪，各自拥有长达4公里的长长轨道。而在轨道的尽头悬挂有镜片，这些镜片的运动被以相当于一个质子直径1/1000的精度进行测量记录。这项史无前例的项目是由美国加州理工学院和麻省理工学院联合实施的，初期的LIGO设施于2001年开始投入运行，而经过升级，技术更加先进的LIGO设施则于近日(5月19日)开始投入运行。

　　巴里·巴里希(Barry Barish)是一位已退休的著名物理学教授，在1994年~1997年之间曾经担任LIGO项目的首席科学家，并在1997年~2006年间担任LIGO项目主管一职。斯坦·维特康姆(Stan Whitcomb)在1980年~1985年之间担任加州理工学院助理教授并在1991年返回校园担任专业教职并在那之后多方参与到LIGO项目之中。以下便是对这两位专家的采访问答：

　　问：LIGO项目是如何开始的？

　　巴里希：爱因斯坦并不认为引力波是可以被探测到的，因为引力太弱了。但在上世纪60年代，马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)使用整整一公吨的铝材制成了一根153厘米长的金属棒。这根金属棒的天然频率是大约1000Hz。 崩塌的超新星会产生处于这一频率的引力波，如果这样的引力波穿过这根金属棒，金属棒产生的共振效应或许可以对信号进行足够的放大，从而让我们能够测量到。 这是一个非常天才的想法，并且基本可以说是在实验学上开启了这一领域的研究。然而你所能制造的金属棒尺寸毕竟有限，而且你能观测到的信号也在很大程度上取 决于你的探测器规模有多大。

　　我们后来从英国格拉斯哥大学招募来的物理学教授荣·德雷弗(Ron Drever)开始着手在这一棒状探测器项目上继续向前推进。然而当我们雇佣他时，他正和MIT的莱纳·维斯(Rainer Weiss)各自独立地进行着干涉仪型探测器的开发——这是此前由他人率先提出的想法。一般情况下你会牢牢固定你的镜子这样它们才不会乱晃，但在LIGO中使用的反射镜必须是能够自由晃动的，这样引力波效应才能推动它。要想将非常巨大而笨重的设施与非常高精度的测量相结合是一件非常困难的任务。

　　维特康姆：尽管棒状探测器方案似乎是当前看来灵敏度最高的方案，但要想最终达到探测器所需要的灵敏度，其实现的难度要大得多。吉普·索恩(Kip Thorne)非常明智地让加州理工转而进行干涉仪型探测器方案的开发并在那之后不断予以推动。

　　荣在格拉斯哥大学的团队已经建造了一台长10米的干涉仪型探测器，这已经是他们所拥有的全部空间了。而我们根据他们的设计，建造了一台长40米 的探测器，但在建造的过程中尽可能的对原设计进行了改进。那段时间我们整天与氩离子激光打交道，这在当时是最好的选择，但同时也非常危险。使用时，冷却水 会向系统引入很严重的震动干扰，导致我们难以达到原先设计的灵敏度目标。我们还需要设计控制系统，在当时的条件下我们必须采用模拟电路。并且我们还获得了 首批“超级镜面”。这些实际上都属于军事技术，但我们成功地将其转为科学用途。干涉设施的延展越长，它的灵敏度就越高，而整个设施的有效长度便是光线在其 中累计距离。我们会让光线在管道中往返反射数百次，从而使其干涉效应与一台长度数千公里的干涉仪灵敏度相当。

　　问：与麻省理工的合作是从何时开始的？

　　巴里希：维斯和德雷弗当时分别在MIT和加州理工运行着各自研发的项目，直到物理学教授，加州理工学院的教务长罗比·沃格特(Robbie Vogt)将他们两人带到了一起。这两人对待世界的态度迥异，但罗比不知如何，最终成功地让这两人携手开展合作。

　　于是罗比立即着手撰写提交给国家科学基金会的项目提案，时间是1989年。那份分为两卷，厚达300页的文件中包含了一些关键性的设想，技术和概念——它们正是如今LIGO设施的基础。尽管相比当时的设计，今天的LIGO设施在很多细节方面已经有所不同，很多东西已经被设计出来，但最基本的东西仍然源自当年的那份框架文件。

　　维特康姆：当我在1991年回归时，LIGO已经成为一项由加州理工与麻省理工共同实施的联合项目，但它只有一名主管，那就是罗比·沃格特。罗比当时找来很多工程师，其中很大一部分是从喷气推进实验室(JPL)租借来或是招募来的，这些人将进行具体的工程设计。已故的伯德·摩尔(Boude Moore)是我们聘请的真空工程师，他设计了如何利用低氢不锈钢材料建造LIGO设 施高真空系统的方案。这是此前从未遇到过的问题。金属中吸收的氢原子会在整个系统的生命周期内缓慢排出，但我们的这一系统灵敏度非常高，只要有一个流浪原 子碰到我们的镜子都会引发数据误差。而伯德所从事的是一些相对大尺度上的测试工作，主要是在同步加速器建筑内部，但我们也在加州理工的足球场旁边建造了一 台80米长的测试原型，就在体育馆的后面。

　　于是所有各项测试便在不同的地点零散地开展起来了，并且在40米的干涉仪型探测器上实现了整合。当时我们使用的仍然主要是模拟电路，但我们有了一台新的真空系统。随后我们重新设计了悬挂系统并在探测器中增加了几项新的功能，此时我们拥有了所需的灵敏度指标，为建造4公里管道长度的大型探测器LIGO做好了准备。最后，也是在1991年，我们得到反馈消息，国家科学基金会批准了我们建造这一超级设施的计划。

　　问：华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿这两处地点是如何选定的？

　　维特康姆：我和LIGO项目的首席工程师比尔·阿特豪斯(Bill Althouse) 共同负责地点评估委员会的工作。我们拜访了大多数的候选地点并对它们开展评估，并向国家科学基金会提交一份推荐地点名录。我们有着一系列的评定标准。工程 方面的标准包括地面的平整性，在结冰条件下土地的膨胀隆起效应，需要额外修建多少道路以及整体施工成本等等。另外我们还要考虑场址距离人口居住区的距离远 近，以及铁路或机场这样潜在的干扰来源。我们在科学方面也有判定依据，比如说我们希望这两个最终选定的地点之间能够尽可能的远。我们也希望LIGO的位置能够确保它未来也可以与欧洲提出的的两大探测器方案——GEO(位于德国汉诺威)以及Virgo(位于意大利突斯卡尼)之间能够开展协同观测。我们需要能够利用三角法测定一个信号源在天空中的位置，因此我们不希望LIGO的两个位置与这两个欧洲项目中的任何一个处在同一条直线上。

　　问：为何升级后的LIGO变得更加灵敏了？

　　巴里希：好的，这其中的原因比较复杂。大多数灵敏度非常高的物理学实验项目都是由于背景干扰的存在而使其性能受到了限制，因此你需要将注意力集中在这一方面并想办法消除或降低这种干扰。但相比之下，LIGO则面临着三方面的局限性：我们正在尝试在10Hz~10KHz之间的广阔波段中搜寻引力波可能留下的蛛丝马迹。我们的地球是一个难以置信的震动来源，因此在10Hz到大约100Hz之 间的频率上，我们必须设法将自己与这种来自地球的天然震动进行隔绝。另外在非常高的频率上，我们的取样速度必须足够快，以便能够获取信号，这样一来我们就 受到了来自激光功率大小的限制因此它决定了我们能够在极短时间内获取的光子数量。而在中等频率区，我们还要受到我们称之为“热干扰”的信号制约，那是因为 我们使用的反射镜自身内部的原子也存在运动。


　　升级后的新版LIGO设施安装了功率强劲地多的激光系统用于应对高频率方面的需求；我们改进了隔绝系统，包括自动补偿系统来应对来自地球的本底震动信号干扰；另外我们有了更大的实验载荷并使用了更好的反射镜涂层，确保将热干扰信号降到最低。所有这些改进在1989年的那份文件中都有。当时那份文件中建议我们使用当时已经成熟的技术来建造LIGO设施，那些技术都已经在40米试验设施上进行了验证。而现在建成的升级版LIGO设施也同样是应用了在初始版LIGO投入运行之后我们在40米试验设施上检验得到的新技术。而现在我们正在40米试验设施上开展新一轮试验，从而为下一次的技术升级做好准备。

　　问：你认为距离探测到引力波信号还有多远？

　　巴里希：我一直以来都非常希望我们能够在2016年就能探测到引力波信号，因为那是爱因斯坦发表有关理论的100周年纪念。然而升级后的LIGO设施将需要大约3~5年的时间才能达到其设计灵敏度，但我们在此期间也会不断收集数据，因此我们取得发现的机会将不断增大。根据设计，升级后的系统灵敏度和检测概率都将得到大幅提升。灵敏度意味着你能够探测到多远的信号，并且这种探测空间的增加是以距离的三次方进行的。

　　当我们从1989年起步时，一些人对此持有怀疑态度，认为这可能又是一项跟核聚变类似的项目。他们一直认为人类距离实现核聚变还有至少50年的时间。而对于LIGO，一般的看法是认为我们距离探测到引力波还有大约10年的时间，但我认为可能并不需要10年那么久，或许5年之内我们就将迎来曙光