现在，人类正在聆听引力所奏响的缥缈交响乐。这一切都始于2015年9月18日，高级激光干涉仪引力波天文台（Advanced LIGO）在这一天开始探测引力波。 引力波被称为“宇宙涟漪”，它以一种神秘的方式扭曲着时空结构。爱因斯坦的理论预言了引力波的存在。但是，直到近一个世纪过去之后，人类才掌握直接探测到它们存在的技术。 漫长的等待过程昭示着引力波研究人员在实验中遇到的巨大挑战。即使是非常强大的引力波信号（比如由两个黑洞碰撞产生的引力波），也可能会将数千米长的激光束拉伸或收缩相当于质子直径量级的长度。 初代LIGO在2001年至2010年期间运行，由于受到来自人类和自然噪音的干扰，比如远处列车或伐木传来的微弱声响，甚或是一阵风刮过的声音，导致实验未能探测到引力波。  科学家向两条相互垂直的LIGO长臂发射激光，每条臂的长度为四千米 过去，科学家也曾试图通过一些实验找到间接证据来证明，引力波在宇宙大爆炸发生后可能就已经存在了。 相比之下，Advanced LIGO的主要目的是直接探测天体运动产生的引力波，比如中子星或黑洞发生碰撞。LIGO这架望远镜探测的是引力，而不是光。  冈萨雷斯在LIGO的控制室 加布里埃拉·冈萨雷斯（Gabriela González）是路易斯安那州立大学巴吞鲁日分校的一位物理学家，从1993年开始，她就参与了LIGO的建造、测试和校准工作。 1997年，在她的帮助下，成立了有数百名科学家参与的LIGO科学合作组织。如今，该组织的成员已经超过了900名。2011年，冈萨雷斯当选为该组织发言人，实际上就相当于其负责人，并一直担任该职务至今。 我们与她聊了聊对宇宙而言至关重要的时空扭曲问题。 以下是访谈内容节录： 引力波能告诉我们什么？ 冈萨雷斯：首先，同时也是最让我兴奋的是，它告诉我们，时空能够产生波动，这真是令人难以置信。 是这个促使你去LIGO工作的吗？ 冈萨雷斯：我是阿根廷人，当我在阿根廷上大学时，相对论对我来说是一种非常美妙的理论。当时，科尔多瓦大学研究相对论的团队实力很强，我开始在那里从事一些理论研究。 在我拿到本科学位的时候，我的丈夫念完了博士。雪城大学在相对论和量子引力论的研究上颇有实力，而这正是我丈夫想要从事的研究。于是，我们就来到了雪城大学。我们是2月份到的，刚好遇上了暴风雪。地理和气候差异给我们带来的冲击可真不小。 在我念研究生的第三年，一位名叫彼得·索尔森（Peter Saulson）的新教授加入了雪城大学，他向我们介绍了LIGO以及如何测量这些时空扭曲。探测发生在地球上、发生在你我身边的事情，借助时空的波动，了解到数百万光年以外的黑洞讯息，所有这些，让我无法抗拒。 我当时说，这就是我想做的事情。 于是，我就干了这一行。我们可以探测这种对宇宙而言至关重要的时空扭曲，这一点一直激励着我。  冈萨雷斯站在“Y臂”前，这是LIGO两条长臂中的一条。科学家会通过这种长达四千米的隧道发射激光 你们主要探寻什么类型的对象？ 冈萨雷斯：中子星是除黑洞之外密度最大的天体。我们知道，中子星经常成对出现，彼此围绕对方运行并逐渐靠近。它们以引力波的形式失去能量，当它们合二为一时，就会形成一个黑洞。 我们还认为，很多中等大小的黑洞也会做同样的运动，最终形成更大规模的黑洞。因此，这类双星系统是最有可能被探测到的引力波来源。 我们还在寻找引力波的随机背景辐射（就好比引力波产生的噪声），我们认为，它是在宇宙大爆炸发生后不久形成的。引力波背景辐射存在于各个频率。它可能太过微弱，我们无法观测到，但我们也在尝试。 Advanced LIGO如何探寻引力波？ 冈萨雷斯：对我来说，这是最令人不可思议的事情。LIGO这部仪器极为复杂，却又十分精密。它是一部干涉仪，也就是说，我们会用光束分离器，把一束激光一分为二。 两束激光穿行于两条相互垂直的长臂中，每条长臂都有四千米长，末端的镜子会把它们反射回来，使它们再次汇合。我们可以检测出这些激光束所穿行距离的细微差异。 这种方法运用的原理是，引力波使时空发生了扭曲，因此一条臂会变得更短，另一条会更长。这会使激光束返回探测器时，产生相位差，而我们看到的就是光量的变化。 如果没有引力波，当激光束返回时，它们应该是完全异相的，我们不会检测到光。而如果存在引力波，我们就会检测到一部分光。 具体来说，这些光束穿行四千米，而我们可以检测出小于质子直径的距离差异。事实上，最理想的情况下，我们可以检测出相当于质子直径万分之一的差异。 检测出相当于质子直径万分之一的差异，这怎么可能做到？ 冈萨雷斯：我描述的方式听起来很简单，只用到了光束分离器、激光发射器和两个反射镜，但其中需要控制的因素还有很多。距离一直在发生变化，因为反光镜在运动。 我们需要通过很多方法来确保，反光镜的原子运动，也就是布朗运动，不会对我们造成太大的限制。这一切都必须在真空中完成。 我们检测的是光子的个数，而光子数目存在量子不确定性。我们想方设法减少了这些干扰源，才有了现在的灵敏度。  这是LIGO长达四千米的“X臂”，激光会在其中穿行 这是否就是初代LIGO和Advanced LIGO的区别？ 冈萨雷斯：这很不可思议，因为如果你从外部看，它们没有区别。我们使用的是相同的天文台，相同的真空室。但在内部，所有东西都不一样。Advanced LIGO的激光器性能是初代的10倍，更稳定，而且拥有更多功能。 在初代LIGO中，我们把反光镜置于单一悬架上，悬架又置于所谓的“减震器”上，以减少地震干扰。而在Advanced LIGO中，我们把反光镜置于四重悬架上，减震器也升级成了主动式的隔震系统。 该系统配备了大量传感器和推进器——我们称之为致动器——它们可以消除干扰。也就是说，它们可以检测到地面的运动，然后消除这种影响。 Advanced LIGO能够探测到的宇宙范围有多大？ 冈萨雷斯：我们所谓的探测器灵敏度指的是它们探测双星系统的灵敏度。就初代LIGO来说，它可以探测到20百万秒差距之外的双星系统。（1百万秒差距相当于330万光年）。 现在，我们可以探测到60、70百万秒差距，有时甚至可以达到80百万秒差距。但我们认为，配备了如此强大功能的Advanced LIGO，其灵敏度应该达到200百万秒差距。  LIGO天文台一景 这样的灵敏度足以让Advanced LIGO探测到大量引力波事件吗？ 冈萨雷斯：在两个探测器的灵敏度都达到200百万秒差距的情况下，我们预计每年可以探测到数十个引力波事件。 一旦探测到某个引力波事件，你们要做哪些工作，要做大量的分析吗？ 冈萨雷斯：是的，那将需要大量的工作，投入大量时间。我们一直在思考，一旦探测到引力波事件的蛛丝马迹，我们要采取哪些举措？我们如何去验证？如何做准备？如何在大规模合作中进行探讨？ 我们拥有900名成员，我们制定了一套探测程序，我们也试着估计，走完这套程序需要多长时间。 引力波天体物理学的长远目标是什么？ 冈萨雷斯：我认为，未来几年我们将探测到的引力波事件不会太多。而在天文学领域，人们已经习惯了各种大数字。因此我预计未来10到15年，会出现更大型的研究设施，它可能需要多个国家合力建造。我自己也会深度参与这些工作。 欧洲航天局已决定在2034年发射引力波太空探测器。在地面探测器发现引力波之后，希望这个项目能更快地推进。 当然，太空项目一直都非常耗时。可是它一旦启用，引力波天文学将迎来爆炸式发展，人们将探测到各种波长的引力波。就像光一样，引力波也会拥有频谱。  一群小学生在参观LIGO的控制室 如何理解，引力波的发现帮助人类打开了观测宇宙的新窗口？ 冈萨雷斯：绝对是这样，打开新窗口的说法不仅是一种比喻，它是有科学依据的。例如，之前我们最期待看到的事件之一，就是两颗中子星碰撞合并，或者一颗中子星与一个黑洞碰撞合并所产生的引力波，这样的情形我们通过伽玛射线暴也能探测到。 我们经常能探测到伽玛射线暴，它分为两种：短的和长的。短伽玛射线暴即由这样的双星合并产生。这是两种非常不同的窗口：伽玛射线和引力波。 首次探测到引力波，对你来说意味着什么？ 冈萨雷斯：人们对项技术寄予了非常多的期望。有了第一个，其他发现就会陆续到来。有多少黑洞存在，有多少中子星存在，中子星由什么构成——所有这些科学问题的答案，只能通过多次探测才能解答。 翻译：何无鱼 来源：Quanta Magazine |
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