從人物到細(xì)節(jié) 引力波背后最完整的內(nèi)幕故事
2016-02-17 13:57:45   來源:百度百家   評(píng)論:0 點(diǎn)擊:

  黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波向四周傳播,旅途中隨著距離衰減。在地球上,恐龍崛起,演化,消亡。引力波繼續(xù)前進(jìn),大概五萬(wàn)年前,引力波到達(dá)了

  Weber的故事塑造了他開擴(kuò)的領(lǐng)域的形象,產(chǎn)生了一個(gè)有毒害的印象,即引力波的尋找者們,后來引用Weiss 的話,都是「說謊者,沒有謹(jǐn)慎態(tài)度,甚至天知道還有什么惡習(xí)」。這個(gè)印象在2014年還得到一次強(qiáng)化,當(dāng)在南極附近的BICEP2望遠(yuǎn)鏡上發(fā)現(xiàn)了好像是大爆炸遺留的引力輻射;雖然信號(hào)是探測(cè)到一個(gè),但是后來發(fā)現(xiàn)原來是宇宙塵埃,不是引力波。Weber身后也留下一批無法復(fù)制Weber生成的結(jié)果的研究人員。Weiss,因?yàn)樵谧约旱牡穆槭±砉け究普n程中被無法解釋W(xué)eber 的工作煩惱,開始設(shè)計(jì)后來的LIGO的原型思想。「我不能理解Weber想干什么,」他在后來的2000年加州理工編輯的口頭歷史中回顧到,「我不認(rèn)為那個(gè)想法是正確的。于是我自己開始去找答案?!?/p>

  Weiss的探測(cè)方法和Weber有著極大的不同。他最初洞見是需要把探測(cè)系統(tǒng)做成L型。想象兩個(gè)人躺在地上,他們的頭挨著,身體形成90度角。當(dāng)引力波通過他們時(shí),其中一個(gè)人會(huì)被拉長(zhǎng),另一個(gè)人會(huì)被縮短;下一時(shí)刻,想法的情況會(huì)發(fā)生。當(dāng)引力波朝著一個(gè)方向拉伸時(shí)空,一定會(huì)在另一方向壓縮時(shí)空。Weiss的設(shè)備會(huì)丈量這兩個(gè)波動(dòng)的長(zhǎng)度,在非常大的尺度上來測(cè)量,使用數(shù)英里長(zhǎng)的鋼管道?!肝也粫?huì)就在我的桌子上檢測(cè)到任何東西。」Weiss 說道。

  為了達(dá)到必要的測(cè)量精度,Weiss建議使用光來作為尺子。他設(shè)想在L形狀的拐彎處放置激光源。激光源會(huì)向兩個(gè)管子的尾部發(fā)射兩束激光,在各自尾部會(huì)放置一個(gè)鏡子來反射激光。光在真空中的速度是常數(shù),所以當(dāng)兩個(gè)管子都去除了空氣和其他粒子后光束應(yīng)該同時(shí)在拐彎處重逢,除非引力波通過這個(gè)結(jié)構(gòu)。在這種情況下,光源和鏡子間的距離會(huì)有小的變化。既然一束光現(xiàn)在會(huì)旅行比它孿生伙伴更短的距離,它們不再會(huì)在相位上保持一致,差距越大,表明引力波越強(qiáng)。這種設(shè)備需要比任何以往的物理設(shè)備敏感幾千倍,還需要細(xì)微的調(diào)試來提取一個(gè)不斷變?nèi)醯奈⑿⌒盘?hào),在地球上充滿無處不在噪音的大背景下做這件事。

  Weiss在1972年春天把他的設(shè)計(jì)寫了出來,作為他的實(shí)驗(yàn)室的季度報(bào)告。這篇文章從未在科學(xué)期刊發(fā)表——畢竟這只是個(gè)設(shè)想,不是實(shí)際的實(shí)驗(yàn)——但是據(jù)Kip Thorne,參與過《星際穿越》電影創(chuàng)作的著名的加州理工退休物理教授,這篇文章「是歷史上最優(yōu)秀的一片論文」。Thorne記得是后來才看到Weiss這篇文章,「如果我早早讀這篇文章,我不會(huì)完全理解它?!构?,Thorne的1973年初版里程碑式的關(guān)于引力的教材中,他還在學(xué)生練習(xí)中請(qǐng)學(xué)生證明通過激光驗(yàn)證引力波存在性的不現(xiàn)實(shí)性,「不過我很快就改變了自己的看法?!顾髞砀嬖V我。

  Thorne 的態(tài)度改變發(fā)生在1975年,在華府的一間酒店房間里。Weiss邀請(qǐng)他來與一組NASA科學(xué)家對(duì)話。那個(gè)會(huì)議的前夜,兩個(gè)人一起討論,「我不記得當(dāng)時(shí)怎么發(fā)生的,但是我們分享了一個(gè)酒店套房,」Weiss說。他們坐在一個(gè)小桌子邊,在草紙上寫滿了圖形和方程。Thorne,在摩門教家庭長(zhǎng)大,喝著Dr Pepper;Weiss則抽著煙斗,「這個(gè)世界上沒有多少人可以像我們兩個(gè)這樣交流,因?yàn)槲覀兌荚谶@個(gè)問題上思考了很多年,」 Weiss回憶道。當(dāng)Thorne 回到他的臥室時(shí),天已經(jīng)開始發(fā)亮了。

  在麻省理工,Weiss 已經(jīng)開始組裝一個(gè)小的原型,每個(gè)探測(cè)臂有五尺長(zhǎng)。但是他在從系里的管理者那里爭(zhēng)取資助上遇到了困難,因?yàn)樵S多他的同事還對(duì)這個(gè)設(shè)想持有懷疑。其中一個(gè)懷疑者,一個(gè)著名的天地物理學(xué)家和相對(duì)論專家, Phillip Morrison,持有非常堅(jiān)定的意見認(rèn)為黑洞不存在——這一看法當(dāng)時(shí)有很多同時(shí)代的人都持有,因?yàn)橹С趾诙吹臄?shù)據(jù)太少了。既然黑洞是理論上僅有的少數(shù)可以產(chǎn)生可觀測(cè)到的引力波的源頭,Morrison 認(rèn)為Weiss 的設(shè)備沒有可以發(fā)現(xiàn)的東西。Thorne 在加州理工進(jìn)展更順利些:到了1981年,在加州理工已經(jīng)開始建造一個(gè)探測(cè)臂有130英尺長(zhǎng)的原型。一個(gè)蘇格蘭后裔物理學(xué)家Ronald Drever負(fù)責(zé)原型的建造,并在建造過程中不斷改進(jìn)Weiss 的設(shè)計(jì)。

  1990年,經(jīng)過了多年的研究,報(bào)告,講演,委員會(huì)會(huì)議。Weiss,Thorne還有Drever說服了NSF(國(guó)家自然科學(xué)基金)來資助LIGO的建設(shè)。這個(gè)項(xiàng)目將要花費(fèi)2.72億美元,比任何NSF之前和以后支持的實(shí)驗(yàn)都多。「這導(dǎo)致了一場(chǎng)激烈爭(zhēng)斗,」Weiss 說?!柑煳膶W(xué)家非常反對(duì)這個(gè)項(xiàng)目,因?yàn)樗麄冇X得這是有史以來最大的金錢浪費(fèi)。」許多科學(xué)家都擔(dān)心LIGO會(huì)吸走別的研究的經(jīng)費(fèi)。Rich Issacson,當(dāng)時(shí)一個(gè)NSF的項(xiàng)目官員,起到了關(guān)鍵作用,幫助項(xiàng)目啟動(dòng)?!杆蚇SF一直支持我們,為此冒了很大的風(fēng)險(xiǎn)?!筗eiss回憶道。

  「這個(gè)東西根本就不合適被建造,」Issacson后來回憶道?!府?dāng)時(shí)只有幾個(gè)頭腦發(fā)熱的人到處游說,在沒有任何信號(hào)發(fā)現(xiàn)的前提下,討論把真空技術(shù),激光技術(shù),材料科學(xué)技術(shù),地震隔離技術(shù)還有反饋系統(tǒng)推倒幾個(gè)數(shù)量級(jí)高于當(dāng)時(shí)技術(shù)的水平,甚至需要使用還沒有被發(fā)明出來的材料?!沟荌ssacson的博士論文就是關(guān)于引力輻射,他堅(jiān)信LIGO的理論基礎(chǔ)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)??!杆晕移鋵?shí)是引力波領(lǐng)域在NSF安插的內(nèi)線?!顾_玩笑說。

  在他們的項(xiàng)目申請(qǐng)中,LIGO團(tuán)隊(duì)警告說他們最初的設(shè)計(jì)可能什么都探測(cè)不到。不過,他們爭(zhēng)辯說,只有通過建造一個(gè)不完美的探測(cè)器才能學(xué)習(xí)理解如何建造一個(gè)更好的探測(cè)器?!赣凶銐虻睦碛上嘈胚@個(gè)計(jì)劃不會(huì)探測(cè)到結(jié)果,」Issacson說。他說服了NSF就算第一階段檢測(cè)不到信號(hào),在這構(gòu)成中帶來的測(cè)量精度的進(jìn)步也值得投資。在1994年,探測(cè)器建設(shè)正式破土動(dòng)工。

  「這里還有上萬(wàn)個(gè)小的細(xì)節(jié)需要考慮,我真的指上萬(wàn)個(gè),」Weiss 說道?!该恳粋€(gè)細(xì)節(jié)都要被完善來確保沒有任何的東西會(huì)干擾信號(hào)?!巩?dāng)他的同事們調(diào)試系統(tǒng)的內(nèi)部組件時(shí),他們需要搭建可移動(dòng)的消毒室,清潔他們的工具,穿上被他們稱為「兔子裝」的全身工作服——來防止皮膚上的細(xì)胞或者粉塵粒子落到精密的光學(xué)設(shè)備上。

  第一個(gè)迭代的探測(cè)器在2001年上線。下面的九年中,科學(xué)家們測(cè)量并改進(jìn)設(shè)備的性能,完善他們的數(shù)據(jù)分析算法。同時(shí),他們使用在加州理工和德國(guó)的原型來開發(fā)更好的反光鏡,激光,地震隔離技術(shù)。2010年,探測(cè)器下線,開始了為期5年,耗資2億美元的升級(jí)。系統(tǒng)目前隔離如此的好以至于一個(gè)部門經(jīng)理在控制室隔壁發(fā)動(dòng)了他的哈雷摩托,引力波頻道的科學(xué)家在自己的屏幕上什么都不會(huì)看到。探測(cè)系統(tǒng)的第二次迭代,高級(jí)LIGO系統(tǒng),可以最終探測(cè)比上一代大一千倍的空間區(qū)域。

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