超级军网引力波实验
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/28 08:21:32
LIGO探测器图示
LIGO探测器正在建设中
美国国家科学基金会(NSF)日前批准了总计2.05亿美元的激光干预引力波天文台升级计划。升级完成后，这台引力波探测器能对成千上万个星系展开监控，找到神秘的引力波成为可能。
原设备探测能力有限
负责激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家相信，如爱因斯坦的广义相对论所预测的那样，先进激光干涉引力波天文台计划将首次从中子星和黑洞中探测到引力波。美国加州理工学院激光干涉引力波天文台副主任艾伯特・拉泽里尼表示：“在激光干涉引力波天文台探测范围有限的情况下，不能保证一定会探测到引力波。”
他接着说，“现在有了先进激光干涉引力波天文台的帮助，从相对论视角考虑，如果我们还是一无所获的话，那确实会令人颇感吃惊。”引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递，而时空曲率则是星际碰撞、爆炸，或是诸如中子星等体积大、密度大的天体极端活动引起的。这些波纹接着穿过地球占据的时空，引起轻微扰动，而先进激光干涉引力波天文台的任务就是去捕捉这些扰动。
升级工作在年内展开
激光干涉引力波天文台通过使用高精度激光去测量光在经过两面镜子之间所用的时间，达到探测引力波的目的。两面镜子被摆放成90度角，在相交点形成字母“L”形。一束激光束从相交点的“L”形分裂器(splitter)穿过，随后分裂器将这束激光分成两束激光，分别直射到每面镜子上。激光干涉仪测量出这束激光在折回“L”形相交点的光探测器前，在“L”形直角边的两面镜子之间回来反弹的长度。
从理论上讲，激光会同时返回光探测器，因为两面镜子的距离是相同的，除非“恰好”经过的引力波干扰时空曲率，改变了它们同镜子之间的距离。激光干涉引力波天文台早在2002年便投入使用，但迄今尚未发现神秘的、至今只存在于理论的引力波。科学家预测，随着激光技术和镜子制造工艺的不断发展，与最早提出建造激光干涉引力波天文台时相比，它的敏感度一定会大有提高，所以，先进激光干涉引力波天文台就自然而然成了它的升级版。
美国国家科学基金会日前批准了在今后7年逐步升级激光干涉引力波天文台的提议。升级工作将从2008年开始，前期将投入3275万美元。拉泽里尼表示：“升级后的新设备数小时的观测量几乎相当于激光干涉引力波天文台当前设备一年的观测量。我们使用激光干涉引力波天文台能探测到像太空中数百个星系以及室女座星系团(距地球5900万光年远)这样的天体，如果把这一观测能力增强千倍，你能观测到包括数万个星系的更广阔的宇宙。”
拟使敏感度增强十倍
科学家只要将激光干涉引力波天文台的敏感度提高10倍，覆盖范围增长千倍的目标就能轻松实现。据介绍，用先进材料制作的大型镜面能减少室温(约20摄氏度)状态下原子任意活动产生的背景“噪音”，激光功率也能从10瓦猛增至180瓦。另外，来自地面的波动对先进激光干涉引力波天文台的影响还更小，因为一套最新的主动随动控制系统取代了过时、被动的弹力系统。
拉泽里尼指出：“我们通过激光干涉引力波天文台的初始敏感度取得了多个里程碑目标。”安放在美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯通的两台主要设备已经完成了历时两年的新设计敏感度测试工作。激光干涉引力波天文台要求至少两个相隔很远、能同时投入工作的探测器，去排除错误信号，确定引力波何时穿越地球。
各国加强引力波探测力度
鉴于国际社会强有力的合作，先进激光干涉引力波天文台最终可能会成为一个范围更广的全球性引力波探测器网络的一部分。德国和英国方面将分别为升级后的激光干涉引力波天文台提供激光系统和镜子悬架系统。实际上，先进激光干涉引力波天文台已在逐渐加强同位于意大利比萨市的欧洲室女座星系团探测器的合作力度。
日本也启动了建设一个引力波探测器的工作。英国格拉斯哥大学物理学家吉姆・哈夫说：“从事引力波研究的各界给予激光干涉引力波天文台升级工作大力支持。这种升级工作其实从激光干涉引力波天文台项目一出台就已经定好了，始终是探测器性能既定更新的重要组成部分。”
美国《连线》杂志报道，早在1912年爱因斯坦就曾预言，诸如黑洞之类的大质量天体会发出引力波，一旦发现引力波可能会加深我们对宇宙的认识，改变我们对物理学的研究。为了实现这一目标，美国国家科学基金会(NSF)今年4月批准了激光干预引力波天文台升级的计划。
激光干涉引力波天文台(LIGO)是由美国国家科学基金会资助的最大规模项目之一，处于发现引力波研究的最前沿。该探测器备有对质子极度敏感的超长激光器，其敏感度足以记录下相对微弱的引力波。以下是加利福尼亚理工学院四个LIGO实验室内部一瞥。
1.测试台上的红外光反射镜
测试台上的红外光反射镜
测试台上一面堪称完美无暇的镜子。虽然对可见光是透明的，但这面镜子可以反射近100%来自干涉计内激光的红外光。干涉计可以利用红外激光束极为精确地测量距离。激光束越长，干涉计就越敏感。在超强引力波穿过干涉计时，由于其引起的时空“涟漪”，它只会略微改变干涉计的长度。
2.俯瞰干涉计顶部
俯瞰干涉计顶部
从加利福尼亚理工学院干涉计顶部俯瞰，这一仪器的形状呈现“L”形，每个“手臂”含有可延伸40米的激光束。为了给激光束创造必要的真空环境，这些不锈钢真空舱将被抽真空至十亿分之一个大气压的水平。在华盛顿和路易斯安那也有两具干涉计，加利福尼亚理工学院的干涉计是其原型，相对较小。拥有这些设施，科学家可以证实观测到的不规则现象确是引力波，而非经过实验室的汽车、坠落至遥远海岸的波，或是激光器本身的精妙变化。
3.真空舱内部一瞥
真空舱内部一瞥
这张照片展示了真空舱的内部，可以看到位于干涉计两只手臂交叉处(“L”形的关节处)的光束分离器。光束分离器是由镜子、滤光器和其他光学仪器构成。从这里，红外激光束会被传递至系统的每个手臂。经过校准，每个激光束的共振要保持一致，且极度精确。如果一股光束遭遇干扰，通过对比其他光束就能在此将其测算出来。
4.干涉计手臂
干涉计手臂
探测引力波所遭遇的问题是，遥远天体产生的引力波到达地面之时已经及其微弱，能够给地球造成的变化极小。出于这个原因，用于探测引力波的仪器一定要极为精确。在左侧，干涉计手臂的一端包含了一面主镜(中右，共四面)以及一系列较小镜子。所有这些镜子都被用于校准和排列激光。主镜将激光束发射回“L”关节进行测量。
LIGO探测器图示
LIGO探测器正在建设中
美国国家科学基金会(NSF)日前批准了总计2.05亿美元的激光干预引力波天文台升级计划。升级完成后，这台引力波探测器能对成千上万个星系展开监控，找到神秘的引力波成为可能。
原设备探测能力有限
负责激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家相信，如爱因斯坦的广义相对论所预测的那样，先进激光干涉引力波天文台计划将首次从中子星和黑洞中探测到引力波。美国加州理工学院激光干涉引力波天文台副主任艾伯特・拉泽里尼表示：“在激光干涉引力波天文台探测范围有限的情况下，不能保证一定会探测到引力波。”
他接着说，“现在有了先进激光干涉引力波天文台的帮助，从相对论视角考虑，如果我们还是一无所获的话，那确实会令人颇感吃惊。”引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递，而时空曲率则是星际碰撞、爆炸，或是诸如中子星等体积大、密度大的天体极端活动引起的。这些波纹接着穿过地球占据的时空，引起轻微扰动，而先进激光干涉引力波天文台的任务就是去捕捉这些扰动。
升级工作在年内展开
激光干涉引力波天文台通过使用高精度激光去测量光在经过两面镜子之间所用的时间，达到探测引力波的目的。两面镜子被摆放成90度角，在相交点形成字母“L”形。一束激光束从相交点的“L”形分裂器(splitter)穿过，随后分裂器将这束激光分成两束激光，分别直射到每面镜子上。激光干涉仪测量出这束激光在折回“L”形相交点的光探测器前，在“L”形直角边的两面镜子之间回来反弹的长度。
从理论上讲，激光会同时返回光探测器，因为两面镜子的距离是相同的，除非“恰好”经过的引力波干扰时空曲率，改变了它们同镜子之间的距离。激光干涉引力波天文台早在2002年便投入使用，但迄今尚未发现神秘的、至今只存在于理论的引力波。科学家预测，随着激光技术和镜子制造工艺的不断发展，与最早提出建造激光干涉引力波天文台时相比，它的敏感度一定会大有提高，所以，先进激光干涉引力波天文台就自然而然成了它的升级版。
美国国家科学基金会日前批准了在今后7年逐步升级激光干涉引力波天文台的提议。升级工作将从2008年开始，前期将投入3275万美元。拉泽里尼表示：“升级后的新设备数小时的观测量几乎相当于激光干涉引力波天文台当前设备一年的观测量。我们使用激光干涉引力波天文台能探测到像太空中数百个星系以及室女座星系团(距地球5900万光年远)这样的天体，如果把这一观测能力增强千倍，你能观测到包括数万个星系的更广阔的宇宙。”
拟使敏感度增强十倍
科学家只要将激光干涉引力波天文台的敏感度提高10倍，覆盖范围增长千倍的目标就能轻松实现。据介绍，用先进材料制作的大型镜面能减少室温(约20摄氏度)状态下原子任意活动产生的背景“噪音”，激光功率也能从10瓦猛增至180瓦。另外，来自地面的波动对先进激光干涉引力波天文台的影响还更小，因为一套最新的主动随动控制系统取代了过时、被动的弹力系统。
拉泽里尼指出：“我们通过激光干涉引力波天文台的初始敏感度取得了多个里程碑目标。”安放在美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯通的两台主要设备已经完成了历时两年的新设计敏感度测试工作。激光干涉引力波天文台要求至少两个相隔很远、能同时投入工作的探测器，去排除错误信号，确定引力波何时穿越地球。
各国加强引力波探测力度
鉴于国际社会强有力的合作，先进激光干涉引力波天文台最终可能会成为一个范围更广的全球性引力波探测器网络的一部分。德国和英国方面将分别为升级后的激光干涉引力波天文台提供激光系统和镜子悬架系统。实际上，先进激光干涉引力波天文台已在逐渐加强同位于意大利比萨市的欧洲室女座星系团探测器的合作力度。
日本也启动了建设一个引力波探测器的工作。英国格拉斯哥大学物理学家吉姆・哈夫说：“从事引力波研究的各界给予激光干涉引力波天文台升级工作大力支持。这种升级工作其实从激光干涉引力波天文台项目一出台就已经定好了，始终是探测器性能既定更新的重要组成部分。”
美国《连线》杂志报道，早在1912年爱因斯坦就曾预言，诸如黑洞之类的大质量天体会发出引力波，一旦发现引力波可能会加深我们对宇宙的认识，改变我们对物理学的研究。为了实现这一目标，美国国家科学基金会(NSF)今年4月批准了激光干预引力波天文台升级的计划。
激光干涉引力波天文台(LIGO)是由美国国家科学基金会资助的最大规模项目之一，处于发现引力波研究的最前沿。该探测器备有对质子极度敏感的超长激光器，其敏感度足以记录下相对微弱的引力波。以下是加利福尼亚理工学院四个LIGO实验室内部一瞥。
1.测试台上的红外光反射镜
测试台上的红外光反射镜
测试台上一面堪称完美无暇的镜子。虽然对可见光是透明的，但这面镜子可以反射近100%来自干涉计内激光的红外光。干涉计可以利用红外激光束极为精确地测量距离。激光束越长，干涉计就越敏感。在超强引力波穿过干涉计时，由于其引起的时空“涟漪”，它只会略微改变干涉计的长度。
2.俯瞰干涉计顶部
俯瞰干涉计顶部
从加利福尼亚理工学院干涉计顶部俯瞰，这一仪器的形状呈现“L”形，每个“手臂”含有可延伸40米的激光束。为了给激光束创造必要的真空环境，这些不锈钢真空舱将被抽真空至十亿分之一个大气压的水平。在华盛顿和路易斯安那也有两具干涉计，加利福尼亚理工学院的干涉计是其原型，相对较小。拥有这些设施，科学家可以证实观测到的不规则现象确是引力波，而非经过实验室的汽车、坠落至遥远海岸的波，或是激光器本身的精妙变化。
3.真空舱内部一瞥
真空舱内部一瞥
这张照片展示了真空舱的内部，可以看到位于干涉计两只手臂交叉处(“L”形的关节处)的光束分离器。光束分离器是由镜子、滤光器和其他光学仪器构成。从这里，红外激光束会被传递至系统的每个手臂。经过校准，每个激光束的共振要保持一致，且极度精确。如果一股光束遭遇干扰，通过对比其他光束就能在此将其测算出来。
4.干涉计手臂
干涉计手臂
探测引力波所遭遇的问题是，遥远天体产生的引力波到达地面之时已经及其微弱，能够给地球造成的变化极小。出于这个原因，用于探测引力波的仪器一定要极为精确。在左侧，干涉计手臂的一端包含了一面主镜(中右，共四面)以及一系列较小镜子。所有这些镜子都被用于校准和排列激光。主镜将激光束发射回“L”关节进行测量。
5.激光源
激光源
激光(分离前)源于右侧的白色管子。这条管子中含有精密仪器，用于校准尽可能多的信号噪音。
6.光学实验台
光学实验台
这是干涉计手臂一端的光学实验台，可以用于监控激光束的强度、位置和角度。
7.将来可能发现引力波的平台
将来可能发现引力波的平台
这个光学实验台用于探测干涉计手臂交叉点各个位置上的光，在这里，引力波也许终有一天会被观测到。
8.四象限探测器
四象限探测器
这张照片中央的三个箱子是四象限探测器(QPD)，用于探测激光束的精确位置。
9.真空装置
真空装置
LIGO原型干涉计需要极高的真空状态――空气约为十亿分之一，相当于低地轨道上发现的真空水平。为获得这一极端水平的真空状况，需要采用一种没有振动、磁力漂浮的涡轮泵。这张照片中的装置是帮助驱动真空状态的真空岐管和遥控阀。
10.螺纹状的膨胀节
螺纹状的膨胀节
这些螺纹状的膨胀节(expansion bellow)使得科学家可以对干涉计手臂的长度进行调解，弥补不锈钢因温度引发的膨胀。
11.LIGO实验室的几位科学家
LIGO实验室的几位科学家
以上图为LIGO实验室的几位科学家。左起：艾伦・韦因斯坦(Alan Weinstein)、史蒂夫・瓦斯(Steve Vass)和罗布・沃德(Rob Ward)，韦因斯坦是物理学教授，将其对高能物理学的知识应用于对暗能量性质的研究和对引力波的探测。瓦斯过去20年一直在管理LIGO原型实验室。
激光源
激光(分离前)源于右侧的白色管子。这条管子中含有精密仪器，用于校准尽可能多的信号噪音。
6.光学实验台
光学实验台
这是干涉计手臂一端的光学实验台，可以用于监控激光束的强度、位置和角度。
7.将来可能发现引力波的平台
将来可能发现引力波的平台
这个光学实验台用于探测干涉计手臂交叉点各个位置上的光，在这里，引力波也许终有一天会被观测到。
8.四象限探测器
四象限探测器
这张照片中央的三个箱子是四象限探测器(QPD)，用于探测激光束的精确位置。
9.真空装置
真空装置
LIGO原型干涉计需要极高的真空状态――空气约为十亿分之一，相当于低地轨道上发现的真空水平。为获得这一极端水平的真空状况，需要采用一种没有振动、磁力漂浮的涡轮泵。这张照片中的装置是帮助驱动真空状态的真空岐管和遥控阀。
10.螺纹状的膨胀节
螺纹状的膨胀节
这些螺纹状的膨胀节(expansion bellow)使得科学家可以对干涉计手臂的长度进行调解，弥补不锈钢因温度引发的膨胀。
11.LIGO实验室的几位科学家
LIGO实验室的几位科学家
以上图为LIGO实验室的几位科学家。左起：艾伦・韦因斯坦(Alan Weinstein)、史蒂夫・瓦斯(Steve Vass)和罗布・沃德(Rob Ward)，韦因斯坦是物理学教授，将其对高能物理学的知识应用于对暗能量性质的研究和对引力波的探测。瓦斯过去20年一直在管理LIGO原型实验室。
怀念那只要自己DIY几件设备就可以做出实验打翻现有物理理论的年代。
引力波天文学是利用天体的引力波来研究天文现象的学科。按照爱因斯坦的广义相对论，天体在加速运动或变化时均有引力波辐射。不过是帮迪和皮拉尼从理论上真正证明它的存在，并说明它是在真空中以光速传播的一种穿透性极强的横波，携带能量和与波源体有关的信息。因而我们可以用质量体系做天线，直接接收并探测天体发射来的引力波。
由于引力波很微弱，应当用大质量高品质因素材料做天线并放在极低的温度下进行工作。尽管在20世纪70年代初美国马里兰大学的J.韦伯就开始实测引力波，迄今仍未有真正的结果。而通过对射电脉冲双星PSR 1913+16公转周期变化的研究间接地证明了引力波的存在。
引力波天文学是观测天文学20世纪中叶以来逐渐兴起的一个新兴分支，其发展基础是广义相对论中引力的辐射理论在各类相对论性天体系统研究中的应用。与基于电磁波观测的传统观测天文学相对比，引力波天文学是通过引力波这个途径来观测发出引力辐射的天体系统。由于万有引力相互作用和电磁相互作用相比强度十分微弱，引力波的直接观测对现有技术而言还是一个很大的挑战。自1916年爱因斯坦发表广义相对论，在理论上预言引力波的存在以来，引力波至今未能在实验上直接被检测到。因此从这个意义上说，真正实现通过引力波的观测来从实验上研究天体系统，从而完善引力波天文学这一新兴领域还为时尚早。但从相关的理论研究角度来看，理论上的引力波天文学已经存在，它的发展基础是20世纪中叶以来在引力辐射框架下的天体物理学研究，其中最著名的例子是普林斯顿大学的拉塞尔·赫斯（Russel Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）发现的脉冲双星，PSR 1913+16，这些研究使人们逐渐发现相对论性引力在天体系统中的重要地位。而从实验的角度来看，引力波的探测技术研究已经取得了相当的成果，研究人员预测人类很有可能在不远的将来实现对引力波的直接探测。
广义相对论预言下的引力波来自于宇宙间带有强引力场的天文学或宇宙学波源，近半个世纪以来的天体物理学研究表明，引力辐射在天体系统中出现的场合非常丰富。这些可期待的波源包括银河系内的双星系统（白矮星、中子星或黑洞等致密星体组成的双星），河外星系内的超大质量黑洞的合并，脉冲星的自转，超新星的引力坍缩，大爆炸留下的背景辐射等等。引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于它能够提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。传统的观测天文学完全依靠对电磁辐射的探测，而引力波天文学的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。
与基于电磁波观测的传统观测天文学不同，引力波天文学具有如下特点：
* 引力波直接联系着波源整体的宏观运动，而非如电磁波那样来自单个原子或电子的运动的叠加，因此引力辐射所揭示的信息与电磁辐射观测到的完全不同。例如对一个双星系统观测到的引力波的偏振揭示了其双星轨道的倾斜度，这类关于波源运动的宏观信息通常无法从电磁辐射观测中取得。
* 如果比较波长与波源尺寸的关系，宇宙间的引力波并不像电磁波那样波长比波源尺寸小很多，这使得引力波天文学通常不能像电磁波天文学那样对波源进行拍照成相，而是类似声波直接从波形分析波源的性质。
* 大多数引力波源很难或根本无法通过电磁辐射直接观测到（例如黑洞），这个事实反过来也成立；考虑到现在一般认为宇宙间不发射任何电磁波的暗物质所占比例要远大于发射电磁波的已知物质，暗物质与外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文学对这些暗物质的观测具有重要意义。
* 引力波与物质的相互作用非常弱，在传播途径中几乎不会像电磁波那样容易发生衰减或散射，这意味着它们可以揭示一些宇宙角落深处的信息，例如宇宙诞生时形成的引力辐射至今仍然在宇宙间几乎无衰减地传播，这为直接观测大爆炸提供了仅有的可能。
Geoff Brumfiel
柯南译自Nature 417, 482 - 484 (2002)
科学家正准备用一个新的观测站搜寻宇宙间最激烈的事件产生的时空涟漪。但是，尽管这个项目的代价高昂，探测器很可能什么也探测不到。Geoff Brumfiel 找到了其中的原因。
在路易斯安那州中部泥泞的漫滩上，两个4公里长的混凝土管道在一个庞大的林场上划出了一个L型。在管道内部，激光在镜面之间反射。它们构成了一个如此灵敏的测量装置，以至于它能够探测到驶来的车辆的隆隆声、以及附近附近树木倒地产生的震动。
但是当夜幕降临、伐木停止之后，一个更伟大的探测计划的准备工作仍在继续。到今年年底，路易斯安那探测器将能够寻找引力波——由黑洞碰撞和恒星爆发产生的微弱的时空涟漪。探测到这些涟漪将为爱因斯坦的相对论提供新的检验，同时也成为探寻宇宙中不可见部分的一种方法。
黑洞与中子星相碰撞释放出引力波，这是一个计算机模拟图
但是存在一个大问题。轰然倒地的树木和过路的卡车——更不用说微小的地震——将影响到探测器最终的研制。并且，由于理论物理学家并不知道引力波的样子，没有人能准确知道到底能发现什么。这个计划——激光干涉仪引力波观测站（LIGO）——的领导者承认，路易斯安那州的探测仪，以及它在华盛顿州汉福德（Hanford）的伙伴，最初可能什么也探测不到。但是，倘若这些探测器需要花费2.96亿美元，一些研究者怀疑它们有没有建成的可能。
路易斯安那州的LIGO
自从90年前引力波的理论被提出以来，没有人曾经直接探测到它。尽管物理学家认为引力波的确存在。阿尔伯特·爱因斯坦于1916年发表的的广义相对论理论预言说，在旋转系统中的大质量物体能够产生时空的涟漪（见附录《广义相对论入门》）。爱因斯坦认识到，引力波能够拉伸或者压缩它们穿过的任何物体，但是认为没有人能够检测到它们。例如，一个典型的引力波穿过地球，将会把这个行星拉长10-16米。麻省理工学院（MIT）的物理学家Rainer Weiss说：“爱因斯坦认为探测它们实在太困难了。”
直接探测引力波的机会是如此诱人，因为它能够确认爱因斯坦的理论预言。但是更深层次的动机在于了解产生最强大引力波的极端事件。“那是一个迥然不同的世界，”Weiss说。“如果你在一个黑洞附近，时空是如此的扭曲，以至于直线甚至不会延伸很远。附近的时钟快慢不同，没有什么还与原来一样。”并且，由于在这些天体的周围经常环绕着尘埃和残骸，很多人认为研究他们的唯一方法就是借助于某些形状的黑洞释放的引力波。
探测引力波的尝试最早可以追溯到20世纪60年代。马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）建造了第一个探测器。它包括一个2米长、1.5米直径的铝棒。韦伯预计，如果一个路过的引力波引起了它的长度的瞬时伸缩，铝棒将会像被锤子敲了一下那样鸣响。
约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）
在20世纪60年代末，韦伯宣布他探测到引力波几乎同时穿过了马里兰州和芝加哥的探测器，从而震惊了物理界。那个引力波看起来改变了铝棒10-15米的长度。但是怀疑者指出，只有相当大一部分的银河系质量才能产生这么强的引力波。Weiss说：“如果你实际计算一下他所声称发现的，那么银河系（的质量）在100万年就会消耗殆尽。”时光流逝，现在人们已经很清楚，韦伯的统计结果存在着缺陷。
但是韦伯的“发现”吸引了很多年轻物理学家的想象。Tony Tyson回忆说：“我被它迷住了。”Tyson是新泽西Murray Hill贝尔实验室的物理学家，当时是芝加哥大学的研究生。20世纪70年代中期，Tyson建造了一个更大的探测器，世界各地的其他研究组也有类似的探测器。尽管没有成功地发现任何引力波，人们对于这个领域的兴趣不断增长，这要部分的感谢引力波存在的第一个间接证据。
1974年，马萨诸塞大学的物理学家Russell Hulse 和 Joseph Taylor是用射电望远镜观测一对相互绕行的中子星。Hulse和Taylor意识到它们可能发出引力波，因此会慢慢损失能量，越靠越近。他们观测了这对中子星4年，于1978年宣布它们的轨道严格按照爱因斯坦的理论改变。这个发现——至今仍然是引力波最好的观测证据——让Hulse和Taylor获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
同心协力
现在这场竞赛要建造一个能直接探测引力波的装置。加州理工学院的理论天体物理学家Kip Thorne说：“我们知道，如果成功，它在科学上的收益将是巨大的。”Thorne和加州理工学院的同事希望能够得到这套装置，在20世纪70年代末，他们招募了英国格拉斯哥大学的实验物理学家Ronald Drever来帮助他们设计新型的探测器。
Drever有建造被称作迈克尔逊干涉仪的L型装置的经验。入射的激光在L型拐角处分成两束，每一束光到达L型臂的末端，然后被镜面反射回中心。当光束再度汇集时，他们会在光敏探测器上产生一个带有暗斑的干涉图样。如果引力波或者其他干扰改变了臂的长度，在探测器处的光强度就会改变。通过研究光强度的改变，研究者就能确定光路的上的变化。干涉仪并不一定比韦伯的铝棒更灵敏，但是它们能够探测更宽频带的引力波。
Weiss加入了加州理工学院的研究小组。Weiss曾经独立研究干涉仪探测器。1985年，他们向国家科学基金会（NSF）递交了LIGO计划的建议，要求建造一对干涉仪。他们认为这些探测器能够探测激光光路上大约10-19米的扰动。建造这个装置需要数以百万计美元。然而，从一开始，研究者完全不能确定他们是否能探测到什么东西。
笼罩着LIGO的科学不确定性曾经，并且现在仍然是双重的。一方面，理论家不能预言他们希望LIGO能探测到的引力波的波长和频率，这引起了对于探测器最佳设计的争议。并且没有人知道引力波到达地球的经常性是多少。例如，假如黑洞碰撞的情况很罕见，或许几个世纪才能检测到一个这样的事件。
还存在着技术上的问题。使用韦伯铝棒的研究者遇到了经常震动他们实验室的微震的影响。震动造成了一个重大的问题，它们的频率——在0到100Hz之间——与理论所预计的引力波出现最丰富的频带接近。
有生机的设计方案
为了避免这些困难，NSF建议，如果最初的设计不能发现引力波，那么计划应该具有升级的潜力。Weiss说：“我们被NSF多次告知：不要建成一锤子买卖的项目。”
这个项目计划在不同地点建造两套足够能容纳高功率激光、抗震光学系统和数套干涉仪的实验室。使用两个探测器能够对于可能的发现做双重检验。
第一个干涉仪将使用通用器材建造。它们主要的功能将是检验实验所必需的精密电子和计算机系统。研究小组随后将安装更加精密的第二代干涉仪。
1989年，NSF正式资助这个项目。Frederick Bernthal说：“LIGO值得欣慰之处在于，你不会总是遇到花大钱的项目。”Bernthal在LIGO计划编制的后期任NSF的副主任。“即使你从没见过引力波，建造LIGO所需的最先进技术也会给人留下非常深刻的印象。”
政治说服力
LIGO小组现在要让国会相信，这个项目值得投资。加州理工的物理学家Robbie Vogt曾经是LIGO的主任，他进行了长达一年游说活动。他的一次演讲引起了Bob Livingston和Bennett Johnson的注意。他们当时分别是路易斯安那州的众议员和参议员。他们被这个计划打动，并且希望借助于最新的科学——以及相关的工作——繁荣他们州的经济。
NSF帮助选择了路易斯安那州Livingston这一比较合适的地点。那时，没有人想到树木倒下造成的影响。汉福德的探测器不必另外选址，政府拥有的土地曾经用于制造核武器。
尽管得到了NSF的批准，一些科学家仍然担心计划的花费。许多人曾经，并且现在仍然不愿意公开批评者这个由名牌大学和政府资助的项目。但是有些人当时道出了他们的担忧。“作为一个物理学家我对于这个实验非常着迷。并且希望看到它有足够的资金，”1991年3月，Tyson对众议院科学委员会说，“但是不能忽视数百名独立调查者的意见。”作为它证词的一部分，Tyson提交了一分60多个物理学家和天文学家的评论意见，所有人都表达了对于这个项目的怀疑。但是LIGO项目已经启动，并且有路易斯安那州政治家的支持。国会于1991年秋批准了这个项目。
随着政治斗争的胜利，研究者在过去的10年中设计和建造了两座观测站。它们都已经为寻找引力波做好了准备。但是最初的数据不会引人注目——立即探测到引力波的可能性仍然很小。
Barry Barish是加州理工的高能物理学家、LIGO的现任主任。他说，不管你期望LIGO发现什么，它都依赖于你选择的引力波产生模型。“并且现在有很多理论，”他补充说。自从LIGO计划首次被提出以来，对于可探测事件的频率和强度的估计不断下降。“他们最初对于可能的（引力波）源的数量估计过分乐观了，”新泽西普林斯顿大学的理论天体物理学家Jerry Ostriker说。Ostriker长期以来是LIGO的批评者，他认为根据今天（对于引力波）的估计，即使是未来的庞大的探测器找到任何引力波的可能性都很小。
噪声、噪声、噪声
技术上的困难仍然存在。实验室的主体结构完成于两年之前。但是在2001年，在汉福德的异常6.8级地震震坏了反射镜和其他光学系统，计划被延迟了3个月。然而，最困难的问题在于，当一个噪声源被清除之后，另外一个又冒出来了。Livingston地区的伐木作业持续到晚上和周末。即使是现在，LIGO也必须把诸如“固体潮”——每隔12小时由于月球引力造成的地核运动——这样的现象考虑在内。
这些效应能够被电子设备控制的反射镜所校正，从而过滤掉假信号。但是每一次研究者过滤掉一个信号，他们必须确认没有被上一次的调整所干扰。LIGO在Livingston观测站的主任Mark Coles解释说，这有点像从静电噪声中找到一个微弱的无线电信号。他补充说：“这有几分单调乏味。”
一些研究者怀疑噪声是否最终能降低到能让引力波被探测到的程度。“存在一个大问题：还有多少没有被滤除的噪声？”Tyson说。两个观测站的数据采集原计划于今年夏天开始，现在已经被推迟到今年年底。
但是LIGO的研究者仍然充满信心。 “如果我们一开始就能探测到什么，这不必惊奇，” Barish说，“但是如果10年之内还无所作为那么我就要被震惊了。”经过3年的运行，研究者计划申请资金更新LIGO。例如，他们希望增加更强大的激光器，并改进防震装置。
但是无论结果如何，LIGO将会推进引力波探测领域的研究。自从这个计划被批准之后，类似的计划也在德国、意大利、澳大利亚和日本开展。它们其中的一个——室女座（Virgo），在意大利比萨的附近——将会继LIGO之后在2003年出现，并且有与LIGO类似的灵敏度。对于这些计划是否能够克服诸如LIGO所面临的地震噪音问题的争论仍然存在，但是如果有一个以上的装置探测到了引力波，他们就能共享数据从而查明引力波的来源。
德国的GEO600
一个空间引力波探测器的计划也在制定中。欧洲和美国的物理学家正在设计一个在类似地球环绕太阳运行轨道上的干涉仪。它被称作激光干涉仪空间天线（LISA），由排成三角形的三颗卫星组成，卫星之间相距5百万公里。LISA有类似于LIGO的灵敏度，但是更容易捕捉到难以捕捉的低频信号，它可能被地震信号淹没掉。如资金能够得到保证，LISA的工作将会于几年内开始，卫星计划在这个十年末发射升空。
像LISA和LIGO这样的计划不仅仅是一个探测器——它也促成了一个研究者共同体。在美国，这个巨大的实验装置成为了整个国家30个研究机构数百名引力波研究者的核心。“我们有研究下一代探测器的实验者。我们有对数据感兴趣的理论家，”Weiss说。“并且他们没有我这么老。那是最大的变化。”
附录：广义相对论入门
阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论理论把引力描述成四维时空的扭曲。很难把它形象化，但是一个二维的模拟有助于弄清这个问题。
想象一张橡皮膜中间有一个保龄球。球就是一颗行星，它所造成的橡皮膜的变形相当于一个真实的行星扭曲时空的方式。在橡皮膜上运动的物体将会像保龄球方向滚落，正如引力会把一颗过路的彗星拉向地球。在爱因斯坦的理论中，地球吸引物体是因为它扭曲了附近的时空，正如保龄球扭曲了橡皮膜。
现在想象两个相互绕行的保龄球。它们将会引起橡皮膜上的涟漪，相当于两个相互绕行的恒星产生的引力波。通过研究这种涟漪，观察者就能知道恒星的运动。
Geoff Brumfiel是Nature在华盛顿州的物理学通讯员
柯南译自Nature 417, 482 - 484 (2002)
科学家正准备用一个新的观测站搜寻宇宙间最激烈的事件产生的时空涟漪。但是，尽管这个项目的代价高昂，探测器很可能什么也探测不到。Geoff Brumfiel 找到了其中的原因。
在路易斯安那州中部泥泞的漫滩上，两个4公里长的混凝土管道在一个庞大的林场上划出了一个L型。在管道内部，激光在镜面之间反射。它们构成了一个如此灵敏的测量装置，以至于它能够探测到驶来的车辆的隆隆声、以及附近附近树木倒地产生的震动。
但是当夜幕降临、伐木停止之后，一个更伟大的探测计划的准备工作仍在继续。到今年年底，路易斯安那探测器将能够寻找引力波——由黑洞碰撞和恒星爆发产生的微弱的时空涟漪。探测到这些涟漪将为爱因斯坦的相对论提供新的检验，同时也成为探寻宇宙中不可见部分的一种方法。
黑洞与中子星相碰撞释放出引力波，这是一个计算机模拟图
但是存在一个大问题。轰然倒地的树木和过路的卡车——更不用说微小的地震——将影响到探测器最终的研制。并且，由于理论物理学家并不知道引力波的样子，没有人能准确知道到底能发现什么。这个计划——激光干涉仪引力波观测站（LIGO）——的领导者承认，路易斯安那州的探测仪，以及它在华盛顿州汉福德（Hanford）的伙伴，最初可能什么也探测不到。但是，倘若这些探测器需要花费2.96亿美元，一些研究者怀疑它们有没有建成的可能。
路易斯安那州的LIGO
自从90年前引力波的理论被提出以来，没有人曾经直接探测到它。尽管物理学家认为引力波的确存在。阿尔伯特·爱因斯坦于1916年发表的的广义相对论理论预言说，在旋转系统中的大质量物体能够产生时空的涟漪（见附录《广义相对论入门》）。爱因斯坦认识到，引力波能够拉伸或者压缩它们穿过的任何物体，但是认为没有人能够检测到它们。例如，一个典型的引力波穿过地球，将会把这个行星拉长10-16米。麻省理工学院（MIT）的物理学家Rainer Weiss说：“爱因斯坦认为探测它们实在太困难了。”
直接探测引力波的机会是如此诱人，因为它能够确认爱因斯坦的理论预言。但是更深层次的动机在于了解产生最强大引力波的极端事件。“那是一个迥然不同的世界，”Weiss说。“如果你在一个黑洞附近，时空是如此的扭曲，以至于直线甚至不会延伸很远。附近的时钟快慢不同，没有什么还与原来一样。”并且，由于在这些天体的周围经常环绕着尘埃和残骸，很多人认为研究他们的唯一方法就是借助于某些形状的黑洞释放的引力波。
探测引力波的尝试最早可以追溯到20世纪60年代。马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）建造了第一个探测器。它包括一个2米长、1.5米直径的铝棒。韦伯预计，如果一个路过的引力波引起了它的长度的瞬时伸缩，铝棒将会像被锤子敲了一下那样鸣响。
约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）
在20世纪60年代末，韦伯宣布他探测到引力波几乎同时穿过了马里兰州和芝加哥的探测器，从而震惊了物理界。那个引力波看起来改变了铝棒10-15米的长度。但是怀疑者指出，只有相当大一部分的银河系质量才能产生这么强的引力波。Weiss说：“如果你实际计算一下他所声称发现的，那么银河系（的质量）在100万年就会消耗殆尽。”时光流逝，现在人们已经很清楚，韦伯的统计结果存在着缺陷。
但是韦伯的“发现”吸引了很多年轻物理学家的想象。Tony Tyson回忆说：“我被它迷住了。”Tyson是新泽西Murray Hill贝尔实验室的物理学家，当时是芝加哥大学的研究生。20世纪70年代中期，Tyson建造了一个更大的探测器，世界各地的其他研究组也有类似的探测器。尽管没有成功地发现任何引力波，人们对于这个领域的兴趣不断增长，这要部分的感谢引力波存在的第一个间接证据。
1974年，马萨诸塞大学的物理学家Russell Hulse 和 Joseph Taylor是用射电望远镜观测一对相互绕行的中子星。Hulse和Taylor意识到它们可能发出引力波，因此会慢慢损失能量，越靠越近。他们观测了这对中子星4年，于1978年宣布它们的轨道严格按照爱因斯坦的理论改变。这个发现——至今仍然是引力波最好的观测证据——让Hulse和Taylor获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
同心协力
现在这场竞赛要建造一个能直接探测引力波的装置。加州理工学院的理论天体物理学家Kip Thorne说：“我们知道，如果成功，它在科学上的收益将是巨大的。”Thorne和加州理工学院的同事希望能够得到这套装置，在20世纪70年代末，他们招募了英国格拉斯哥大学的实验物理学家Ronald Drever来帮助他们设计新型的探测器。
Drever有建造被称作迈克尔逊干涉仪的L型装置的经验。入射的激光在L型拐角处分成两束，每一束光到达L型臂的末端，然后被镜面反射回中心。当光束再度汇集时，他们会在光敏探测器上产生一个带有暗斑的干涉图样。如果引力波或者其他干扰改变了臂的长度，在探测器处的光强度就会改变。通过研究光强度的改变，研究者就能确定光路的上的变化。干涉仪并不一定比韦伯的铝棒更灵敏，但是它们能够探测更宽频带的引力波。
Weiss加入了加州理工学院的研究小组。Weiss曾经独立研究干涉仪探测器。1985年，他们向国家科学基金会（NSF）递交了LIGO计划的建议，要求建造一对干涉仪。他们认为这些探测器能够探测激光光路上大约10-19米的扰动。建造这个装置需要数以百万计美元。然而，从一开始，研究者完全不能确定他们是否能探测到什么东西。
笼罩着LIGO的科学不确定性曾经，并且现在仍然是双重的。一方面，理论家不能预言他们希望LIGO能探测到的引力波的波长和频率，这引起了对于探测器最佳设计的争议。并且没有人知道引力波到达地球的经常性是多少。例如，假如黑洞碰撞的情况很罕见，或许几个世纪才能检测到一个这样的事件。
还存在着技术上的问题。使用韦伯铝棒的研究者遇到了经常震动他们实验室的微震的影响。震动造成了一个重大的问题，它们的频率——在0到100Hz之间——与理论所预计的引力波出现最丰富的频带接近。
有生机的设计方案
为了避免这些困难，NSF建议，如果最初的设计不能发现引力波，那么计划应该具有升级的潜力。Weiss说：“我们被NSF多次告知：不要建成一锤子买卖的项目。”
这个项目计划在不同地点建造两套足够能容纳高功率激光、抗震光学系统和数套干涉仪的实验室。使用两个探测器能够对于可能的发现做双重检验。
第一个干涉仪将使用通用器材建造。它们主要的功能将是检验实验所必需的精密电子和计算机系统。研究小组随后将安装更加精密的第二代干涉仪。
1989年，NSF正式资助这个项目。Frederick Bernthal说：“LIGO值得欣慰之处在于，你不会总是遇到花大钱的项目。”Bernthal在LIGO计划编制的后期任NSF的副主任。“即使你从没见过引力波，建造LIGO所需的最先进技术也会给人留下非常深刻的印象。”
政治说服力
LIGO小组现在要让国会相信，这个项目值得投资。加州理工的物理学家Robbie Vogt曾经是LIGO的主任，他进行了长达一年游说活动。他的一次演讲引起了Bob Livingston和Bennett Johnson的注意。他们当时分别是路易斯安那州的众议员和参议员。他们被这个计划打动，并且希望借助于最新的科学——以及相关的工作——繁荣他们州的经济。
NSF帮助选择了路易斯安那州Livingston这一比较合适的地点。那时，没有人想到树木倒下造成的影响。汉福德的探测器不必另外选址，政府拥有的土地曾经用于制造核武器。
尽管得到了NSF的批准，一些科学家仍然担心计划的花费。许多人曾经，并且现在仍然不愿意公开批评者这个由名牌大学和政府资助的项目。但是有些人当时道出了他们的担忧。“作为一个物理学家我对于这个实验非常着迷。并且希望看到它有足够的资金，”1991年3月，Tyson对众议院科学委员会说，“但是不能忽视数百名独立调查者的意见。”作为它证词的一部分，Tyson提交了一分60多个物理学家和天文学家的评论意见，所有人都表达了对于这个项目的怀疑。但是LIGO项目已经启动，并且有路易斯安那州政治家的支持。国会于1991年秋批准了这个项目。
随着政治斗争的胜利，研究者在过去的10年中设计和建造了两座观测站。它们都已经为寻找引力波做好了准备。但是最初的数据不会引人注目——立即探测到引力波的可能性仍然很小。
Barry Barish是加州理工的高能物理学家、LIGO的现任主任。他说，不管你期望LIGO发现什么，它都依赖于你选择的引力波产生模型。“并且现在有很多理论，”他补充说。自从LIGO计划首次被提出以来，对于可探测事件的频率和强度的估计不断下降。“他们最初对于可能的（引力波）源的数量估计过分乐观了，”新泽西普林斯顿大学的理论天体物理学家Jerry Ostriker说。Ostriker长期以来是LIGO的批评者，他认为根据今天（对于引力波）的估计，即使是未来的庞大的探测器找到任何引力波的可能性都很小。
噪声、噪声、噪声
技术上的困难仍然存在。实验室的主体结构完成于两年之前。但是在2001年，在汉福德的异常6.8级地震震坏了反射镜和其他光学系统，计划被延迟了3个月。然而，最困难的问题在于，当一个噪声源被清除之后，另外一个又冒出来了。Livingston地区的伐木作业持续到晚上和周末。即使是现在，LIGO也必须把诸如“固体潮”——每隔12小时由于月球引力造成的地核运动——这样的现象考虑在内。
这些效应能够被电子设备控制的反射镜所校正，从而过滤掉假信号。但是每一次研究者过滤掉一个信号，他们必须确认没有被上一次的调整所干扰。LIGO在Livingston观测站的主任Mark Coles解释说，这有点像从静电噪声中找到一个微弱的无线电信号。他补充说：“这有几分单调乏味。”
一些研究者怀疑噪声是否最终能降低到能让引力波被探测到的程度。“存在一个大问题：还有多少没有被滤除的噪声？”Tyson说。两个观测站的数据采集原计划于今年夏天开始，现在已经被推迟到今年年底。
但是LIGO的研究者仍然充满信心。 “如果我们一开始就能探测到什么，这不必惊奇，” Barish说，“但是如果10年之内还无所作为那么我就要被震惊了。”经过3年的运行，研究者计划申请资金更新LIGO。例如，他们希望增加更强大的激光器，并改进防震装置。
但是无论结果如何，LIGO将会推进引力波探测领域的研究。自从这个计划被批准之后，类似的计划也在德国、意大利、澳大利亚和日本开展。它们其中的一个——室女座（Virgo），在意大利比萨的附近——将会继LIGO之后在2003年出现，并且有与LIGO类似的灵敏度。对于这些计划是否能够克服诸如LIGO所面临的地震噪音问题的争论仍然存在，但是如果有一个以上的装置探测到了引力波，他们就能共享数据从而查明引力波的来源。
德国的GEO600
一个空间引力波探测器的计划也在制定中。欧洲和美国的物理学家正在设计一个在类似地球环绕太阳运行轨道上的干涉仪。它被称作激光干涉仪空间天线（LISA），由排成三角形的三颗卫星组成，卫星之间相距5百万公里。LISA有类似于LIGO的灵敏度，但是更容易捕捉到难以捕捉的低频信号，它可能被地震信号淹没掉。如资金能够得到保证，LISA的工作将会于几年内开始，卫星计划在这个十年末发射升空。
像LISA和LIGO这样的计划不仅仅是一个探测器——它也促成了一个研究者共同体。在美国，这个巨大的实验装置成为了整个国家30个研究机构数百名引力波研究者的核心。“我们有研究下一代探测器的实验者。我们有对数据感兴趣的理论家，”Weiss说。“并且他们没有我这么老。那是最大的变化。”
附录：广义相对论入门
阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论理论把引力描述成四维时空的扭曲。很难把它形象化，但是一个二维的模拟有助于弄清这个问题。
想象一张橡皮膜中间有一个保龄球。球就是一颗行星，它所造成的橡皮膜的变形相当于一个真实的行星扭曲时空的方式。在橡皮膜上运动的物体将会像保龄球方向滚落，正如引力会把一颗过路的彗星拉向地球。在爱因斯坦的理论中，地球吸引物体是因为它扭曲了附近的时空，正如保龄球扭曲了橡皮膜。
现在想象两个相互绕行的保龄球。它们将会引起橡皮膜上的涟漪，相当于两个相互绕行的恒星产生的引力波。通过研究这种涟漪，观察者就能知道恒星的运动。
Geoff Brumfiel是Nature在华盛顿州的物理学通讯员
有钱真TMD的好
不错，希望楼主多转这样的消息:D :D :D
这才是破解四代隐身的终极武器啊。
总不能质量=0把。
总不能质量=0把。
刚看历史频道的“宇宙系列：宇宙中的各种洞”，讲这个是用来观测黑洞碰撞的……