参与引力波探测的华人科学家:将推动中国天琴计划

　　引力波探测的历史

　　爱因斯坦说了，引力波很微弱，那么到底有多么微弱呢?我们下面举一个例子说明。就算是人类历史上最大的氢弹爆炸，我们可以粗略的估算一下离爆炸处一米之内的引力波振幅h，也就是它引起的自由下落物体之间的应变。这个应变，只有10^-27左右的量级。

　　虽然引力波这么微弱，但还是没有吓倒勇敢的实验物理学家Joe Weber。他深信，虽然地球上产生的引力波很微弱，宇宙空间中也许有天文现象可以导致足够强的引力波。20世纪60年代末期，Weber开始用共振法测量引力波。具体就是用一个很大的金属物体，利用引力波在物体的谐振频率上引起共振的特点，希望从这个物体的振动中提取引力波的信号。Weber发表了一些实验结果，认为已经发现了引力波。但是很可惜，他的实验没有人可以重复，而理论上也很难论证究竟是什么样的过程发出了这么强烈的引力波信号。但是，Weber的工作激励了一批科学家投身引力波事业。从20世纪70年代起，一批理论和实验物理学家加入了引力波理论研究和实验探测的行列。

　　MIT的实验物理学家Weiss注意到，引力波对物体之间距离的变化，和物体之间本来的距离成正比。这样的话，如果把物体之间的距离拉的很远，并且把它们做成镜子，然后用激光测距的方法测量镜子之间的距离，就可以成倍的提高对引力波测量的精度。

　　在这个同时，英国Glasgow大学的Drever和休斯飞机公司的Forward也开始了激光干涉的引力波测量实验。

　　1975 年，就在引力波实验逐渐发展的时候， 天文学家Hulse和Taylor发现了一对脉冲双星。1982年，Taylor和 Weisberg通过其轨道频率的演化，推断出了这个双星正在丢失能量，而这个能量丢失率和引力波导致的是一致。这给引力波的存在提供了一个强有力的间接证据：引力波终于从纸上走了出来!Hulse和Taylor在1993年因此获得诺贝尔奖，脉冲双星也成为研究广义相对论和中子星的一个重要系统。

　　Kip Thorne

　　要提LIGO的历史，得提一下《星际穿越》中的“非著名电影演员” Kip Thorne。他是命名黑洞的物理学家John Wheeler的学生，算起来也是Richard Feynman的师弟 。Thorne早年在Princeton做研究生的时候，和Wheeler一起研究了引力塌缩的过程，在黑洞作为星体演化末态的学说上做出了重要的贡献。从此， Thorne跟黑洞结下了不解之缘。不要惊讶，“引力圣经MTW”中的T和W就是Kip Thorne和John Wheeler。自从Weber“发现”引力波以后， Thorne就致力于黑洞和引力波这个新型辐射的研究。

　　2009年， Thorne从Caltech退休。他通过旧情人Lynda Obst认识了斯皮尔伯格和诺兰，并且参与了以黑洞为主题的电影《星际穿越》的编剧和摄制，从此进军好莱坞。每次有人托他办事，他如果想推脱，就会说现在开始了新的电影生涯，忙不过来。不过，这次华盛顿DC的记者会，他也还是重新出山了，风采绝对不亚于其在好莱坞的光芒!

　　在20世纪70年代末， Thorne说服了Caltech支持引力波研究，Drever在Caltech建立了引力波探测实验室。1979年美国国家科学基金会开始资助Drever和Thorne在Caltech，以及Weiss在MIT的激光干涉引力波测量预研究。

　　LIGO的引力波源和理论研究

　　最初，学术界普遍对探测引力波的可能性持怀疑态度。在早期，人们对引力波源的认识非常不足，一度认为超新星爆发是引力波探测的主要波源。后来，大家通过对超新星爆发的详细计算，推断出其所发出的引力波远没有以前想象的那么大。

　　90 年代初，Thorne和他的合作者认识到，双黑洞和双中子星的碰撞所发出的引力波可以有足够的振幅被探测到。他开始系统的推进和开展引力波源的天体物理、相对论动力学研究和数据分析方法的研究。虽然多数人认为双中子星是最靠谱的波源，Thorne一直认为双黑洞因为质量比较大， LIGO可以看到比较远的距离，所以相应的体积中就会有更多的可能性。因此，虽然双黑洞的形成过程不太明确，但是还是有可能是最先被探测到的。想要研究双黑洞的引力波，必须先计算出广义相对论对双黑洞碰撞的预言。物理学家通过“数值相对论”的方法，用大型计算机对爱因斯坦方程进行求解。

　　LIGO计划的实施

　　在 90年代初，由Drever, Thorne和Weiss领导的LIGO项目得到了美国National Science Foundation的资助，在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造一个臂长四公里的干涉仪。在最早的LIGO计划书中，双黑洞和双中子星的碰撞过程是主要的目标。他们就提到了一个三步计划：第一步的initial LIGO在设计灵敏度下可以看到5亿光年以外的双黑洞碰撞，第二步的 Advacned LIGO在设计灵敏度下可以看到70亿光年以外的双黑洞碰撞。 这多出的14倍的距离，相当于多覆盖了宇宙中将近三千倍的体积。今天的Advanced LIGO，尚未达到设计灵敏度，就已经看到了14亿光年以外的双黑洞碰撞。

　　那么，到底多少亿光年的覆盖距离才够呢?天文观测具有一定的随机性，但是随机过程也是可以从统计上进行把握的。为了不重蹈Joe Weber的覆辙，LIGO科学家们事先要推算出一定体积内黑洞、中子星碰撞的发生率。推测发生率，要根据天文学家对宇宙中星系的分布、星系中双星的形成、演化等一系列信息进行综合考虑。在没有引力波探测作为依据的情况下，对这些发生率推断是有很大误差的。根据当时最好的估计，initial LIGO应该只有很少的希望可以看到双黑洞的碰撞，而几乎没有希望看到双中子星的碰撞。Advanced LIGO很可能可以很容易的看到双黑洞的碰撞，而应该可以保证至少探测到几个双中子星的碰撞。从这个角度来看，今天的成功，虽然是幸运，也并不是意料之外的事情。并且，既然我们已经在这个灵敏度下探测到了一个事件，这就意味着如果我们按照这个灵敏度继续探测，势必会有更多的事件被探测到。

　　LIGO的灵敏度和运行

　　LIGO 探测器在1999年最初建成，然后花了5年时间，在2005年到达了设计灵敏度，可以测量在60Hz以上，10kHz以下的引力波，位移变灵敏度达到 10^-21。这是什么概念呢?这样的应变，如果是用到从地球到太阳之间的距离，导致的距离变化不超过头发丝的十万分之一。换算到千米量级的臂长，它对检验质量位移的灵敏度可以达到10^-18米，是原子核大小的1/1000!加拿大华人网 http://www.sinoca.com/