史上精度最高:引力波是如何探测的?

  【中关村在线原创】春节期间,2亿美元的人类有史以来最精密的设备到底什么样?。

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  波的干涉现象算是高中物理的容。很多人上课的时候,老师都会拿着盛水的器皿,以及两个点同步击打水面的设备,来给看看两个同频率的波纹干涉后的图形。

  更进一步,大学物理会讲解更多的关于更短波长的干啥:光。因为光具有波粒二象性,所以传播的时候也有干涉的现象存在。最为著名的就是杨氏双缝试验,大学里面的物理实验室会演示这个现象。在观察侧面看到的结果,就是明暗相间条文。

  光的干涉,当产生半个波长相位上的变化,干涉条纹也会变化,我们知道光的波长只有几百纳米,这是精密测量的理论基础。

  天文上的单位,字都特别大,是引力波又往往很小。比如以地球质量,产生的引力波只有200瓦,这是一个非常非常小的字,而这200瓦在以光年计的距离尺度上,会微弱到几乎不测量。这和我们看不到很多星星发出的微弱到光,必须借助望远镜一样。

  因<000001米尺度上的变化。

  引力波如何探测?上面这张图就是ligo的一个天文台,可以看到有两个相互的垂直的臂,它们每个臂的长度有4公里,大功率激光器发出的很纯的激光,在里面要反射50次左右,就。为了尽可能的抵消热变化带来的误差,这两个臂里面要抽成真空度极高的线次方。

  ligo内部,相当复杂与精密,科研人员的装逼酷似英特尔无尘车间的工作人员

  ligo探测到的引力波信号,来自两个不同的观测站,有极高的相似度,并于预言相符合

  抵消掉这些因素,由于两个臂是垂直的,因此对于引力波,会产生垂直和水平两个方向上不同的影响,哪怕这个影响远小于质子的直径,这些变化导致激光干涉的条纹就会发生变化,被仪器记录下来。

  ligo用的是什么?其实是干涉仪。这种设备诞生的时间已经很长了。其中一种做迈克尔孙干涉仪的设备原理如下面的图。

  可以看到激光经过半透膜的变化后,光路会一分为二,当有了引力波的时候,光程差会发生变化,产生干涉条纹的变化。迈克尔孙干涉仪诞生之初就推翻了当时物理学界的一个所谓的概念:以太,因为不同方向上的变化不会导致干涉条纹的变化,也就不存在所谓的以太

  当然,除了迈克尔孙干涉仪,ligo还用法布里-珀罗干涉仪,下面的是它的原理图。这种干涉仪在ligo中的作用是存储毫秒量级上的光子,形成多次反射,进而提升ligo的精度。而事实上,ligo目前也没有达到最初设计的精度,只是初代ligo的升级版本,因为这种高精度的设备是90年代后才逐步开始有的,ligo的精度要进行最后的升级之后,到2021年才能达到最终的理想精度。

  由于ligo的灵敏度极高,因此我们人旁边走过,或是气温的变化引起管道微观尺寸上的变化,也会引起如此精密的设备产生波动。为了消除这种误差,ligo虽然名字上是一个天文台,但是其实是两套设备

  ligo两套设备相距3000公里,建造方是美国自然科学基金、加州理工以及麻省理工

  这两套一样的设备,分别位于美国路易斯安那州和利文斯顿和华盛顿州的汉福德。两者之间的距离大约为3000公里。它们采集到的数据会被同时送到超级计算中心进行数据分析。如果我影响了华盛顿那台ligo,显然不会影响路易斯安那州那台,因此通过软件上的数据算法,可以过滤掉大量无关的数据,进而去芜存菁。

  但依然需要等待机会。我们之前说过,需要足够强的引力波。这次公布的结果就是两个黑洞合并之后,产生了质量上的亏损,进而辐射出超前的引力波。这次的两个黑洞,亏损了3个太阳质量,转化成引力波,才被探测到。知道原理的人都知道,能量来自质量亏损,然后由质能方程得到释放的能量有多大。人类历史上造出的最大氢弹,前苏联的沙皇氢弹,也不过27吨,可以想象3个太阳质量的巨大能量有多大。但这么大的能量,传输13亿光年到了地球,依旧需要ligo这种超高精度的设备,而产生的引力波带来的影响,只有1个电子直径的长度。

  爱因斯坦的广义相对论我们通常理解都是文字表面上的,但是事实上是艰深的数学公式。而如同我们的x平方=4,x=2,引力波其实是相对论方程的一个解。

  爱因斯坦的相对论如此的不可思议,以至于理论与实际的验证持续了百年。由于重力的透镜效应可以通过天文观测观察到,现在已经有了很多实际观测的图片,上面就是光线如何被重力影响改变的原理以及实际拍摄到的爱因斯坦环。

  只是这百年前的理论预言中的引力波,后人通过一个世纪的努力,不断的改良探测设备的精度,最终实现了可靠、可信的观测数据,证明了理论物理的伟大,同时试验物理学家也给我买打开了观测这个世界的另外一个窗口。

  麻省理工学院的校长很少写公开信。这次引力波的发现,mit校长的公开信中提到:我们今天庆祝的发现体现了基础科学的悖论:它是辛苦的、严谨的和缓慢的,又是震撼性的、革命性的和催化性的。没有基础科学,最好的设想就无法得到改进,创新只能是小打小闹。只有随着基础科学的进步,社会也才能进步。

  相比ligo这种耗资巨大的基础科学研究项目以及取得的卓越科研成果,再回头看it届的领袖们开新闻发布会的时候,一个个衬衫t恤衫牛仔裤讲ppt的所谓领袖们嘴里轻易蹦出的颠覆与变革,你一定会发出会心一笑。