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ligo的激光干涉仪要测量宇宙中最微小的变化,唯有保持绝对的寂静。任何干扰,哪怕是最微小的噪声,都必须被抑制。否则永远不也能确定它是引力波信号还是背景噪声。
空气和大地的振荡都能让ligo“失锁”噪声。
为了提高探测器的灵敏度,光要沿着干涉臂反射上百次,这样可以使四千米的臂长等效成四百千米。为了做到这一点,反射镜必须严格保持静止。
当然,在现实世界中不可能做到绝对静止。地球内部不断的地震,飓风、地面机械活动,飞机、火车的经过,宇宙电磁辐射……甚至月球的轨道运动对地表造成的扭曲都会产生噪声。每过12个小时,月球运动造成ligo的臂长变化约十分之一个毫米。这个看似微小的量,但与途径地球的引力波产生的效应相比,却显得极为巨大。幸好这个噪声源至少是可预测的,通过连续调节注入干涉仪的激光频率以及反射镜之间的距离,可以补偿月球潮汐的影响。
ligo的反射镜使用一系列复杂的装置以隔绝来自外界的吵闹噪声。
反射镜用约一毫米的石英玻璃线悬挂起来,以此来尽可能地隔绝来自地面的干扰。此外,叠加起来的叶片弹簧和摆锤则有助于过滤掉高频噪声。伺服电机会俯仰、转动和偏转这个五吨重的装置,以抵御低频的地面振动。这是从利文斯顿ligo早期运转中获得的深刻教训,周围森林中伐木场里正在工作的重型机械发出的低频声浪会产生持续且不可预见的噪声,包括倒下的树木还产生连续刺耳的噪声。
麦克和詹姆斯他们的手上有一份长长的刺激性噪声的清单。
“通过识别这些噪声,我们能精确地察觉二十公里外的奇兰机场飞机的起降,那是一种不规则的多普勒频移声学噪声。”麦克说:“每年春季每过几晚就会有一个神秘的噪声突然增强然后又慢慢退去,这是附近的水坝释放冰雪融水而产生的隆隆声。有时候,噪声的来源不是来自本地,我们看到过北大西洋海域上的风暴,当这些风暴在西雅图沿岸登陆时,我们通过噪声可以准确无误地看到它们。”
ligo的超级反射镜是地球上人造的最精密之物。
镜子由石英玻璃制成,呈圆盘状,重四十千克。反射镜的每一面都经过高度抛光,使之透明。再对其材质进行逐个分子地蚀刻,使表面的曲率精度达到一个硅原子直径的误差范围之内。然后从旧金山空运到法国的工厂,对镜子的表面进行最终的镀膜,以此来限制镜面分子在已知频率的热运动。它们一旦振动起来,就会产生像敲击水晶酒杯一样的噪声源。
这些处理好的反射镜运到引力波观测站,放入真空管。地球上最大的超高真空腔。在这个约一万立方米的真空腔中,确保激光束在来回反射的过程不会因为有遗留的任何分子而发生偏折。这是真正的真空状态,空无一物,比宇宙真空更安静。
但根据量子不确定性原理,从理论上讲,永远也不可能同时精确地测定量子世界中成对出现的两个属性。位置和动量就构成了这样的属性:对一个量子粒子的位置知道得越精确,对它速度的了解就越模糊。能量和时间则是另一对这样的属性。这对于ligo来说非常糟糕,因为精确知道光子打到反射镜上的时间和能量是探测引力波的关键。
奇怪的是,量子不确定性的噪声不仅仅会扰乱光子,还能影响真空。
真正用来检测引力波的是两束激光重新汇合并干涉之后形成的明暗条纹。没有引力波入射的时候,暗纹应该是完全黑暗,但量子不确定性认为:即使在黑暗的真空中也会有光。
“真空”或许可以称为虚无(nothing)。这是一个非常微妙的概念,基本粒子随时在虚空中产生、湮灭,宇宙就这样从虚无中诞生。光子在真空中瞬间出现,又瞬间消失,但这种量子涨落现象对光信号产生致命的影响,干扰引力波的探测。
几年前,澳大利亚国立大学的戴维?麦克莱兰的团队制造出光压缩器。“压缩”一个光子,使不确定性集中到它成对特性中的某一个上面,由此可以几乎不受噪声干扰地测量另一个特性。把这种操作运用到真空上,逐渐减少进入压缩器的光的流量,直至完全消失,压缩态光场就会在另一端出现。通过将压缩过的真空注入光子探测器,他们把探测器的固有噪声降低到了自然水平以下。
这种压缩真空的技术应用到ligo的干涉仪上,立刻观测到量子噪声的大幅度下降。探测器变得比真空还要寂静。
人类最终将聆听到来自宇宙时空的引力私语,时空的涟漪。
“这意味着什么呢?就好比我们人类之前都是聋的,现在忽然能够听到来自宇宙的声音。它能使我们了解宇宙诞生10亿亿亿亿分之一秒时的样子,那个时刻已经离大爆炸很近了。这是一个世纪以来,人类对物质、能量以及时空基本概念间最深层关系的最艰苦卓绝的探究。”
麦克说:“我可不想错过引力波这场科学盛筵。但遗憾的是,由于地球噪