從脈衝星到LIGO：引力波的60年探測史

在引力波的探測上，最早的關鍵性突破來自於英國物理學家菲利克斯·皮拉尼（Felix Pirani）於1955年所做的測試。

皮拉尼證明，可以通過測量至少兩個測試質量（質量非常小的物體，它們自身的引力可以忽略不計）之間的距離變化來探測引力波。事實上，儘管用孤立的物體無法探測到引力波，但還是可以通過測量兩個測試質量之間空間的壓縮和膨脹來發現它的蹤跡。美國馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）受此啟發，開始進行實驗直接探測引力波。雖然他用自己在20世紀60年代設計的「韋伯棒」（Weber bar）什麼也沒有探測到，但是他的這一發明啟迪了許多物理學家。用棒狀探測器來探測引力波的概念後來被廣為接受並加以改良。

引力輻射原則上是可以探測到的。那麼如何進行定量測量呢？想要設計探測器的話，首先得確定引力波源輻射功率的量級、引力波經過時導致的空間長度變化的量級以及信號頻率的量級。根據愛因斯坦最初的研究，科學家可以估算出人體在擺手時發出的引力波功率量級是10–50瓦特，這和大多數恆星系統發出的引力波功率差不多。這些值已得到了更精確的計算方法的證實，引力波似乎成了一種無法觀測的思想玩物。

隨著天文學家在1962年發現了類星體，並在1967年發現了脈衝星，探測引力波的希望被再次點燃。這些天體屬於中子星（由非常緻密的原子核物質構成的天體）或者黑洞（光也無法逃逸的時空陷阱）。它們非常緻密（相比於它們的質量而言，它們的體積非常小），在描述其引力性質時必須考慮廣義相對論。物理學家已經證明，如果一個緻密天體高速（接近光速）運動，並且這種運動是連貫的且不太對稱的話，這個天體就能成為良好的引力波源。

雖然無法通過望遠鏡觀測，但一個雙星系統中的兩個黑洞併合是能量最高的天體物理現象之一。兩個具有太陽質量的黑洞併合發出的引力波功率量級大概是1046瓦特，這已經可以媲美太陽發光的功率（1026瓦特）。

但是，所有的大功率引力波源和我們的距離都十分遙遠，在地球上進行的探測實驗只能收集到非常微弱的信號。在這種信號的作用下，測試質量間距的相對變化最高也只有10-20，相當於太陽和地球之間的距離改變了一個原子的直徑。

對脈衝雙星PSR B1913+16的研究間接地證明了引力波的存在。美國人約瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor）和拉塞爾·赫爾斯（Russell Hulse）於1974年發現了PSR B1913+16（他們也因此於1993年獲得了諾貝爾物理學獎）。這個雙星系統公轉周期的逐步減少與能量的消失有關，而消失的能量轉化成了引力波。這個效應其實類似於拉普拉斯為了解釋月球在軌道上的加速而提出的理論。法國物理學家蒂博·達穆爾（Thibault Damour）和娜塔莉德魯艾爾（Nathalie Deruelle）等人的計算證明，廣義相對論和脈衝雙星觀測結果是一致的。

之後就是直接探測引力波了，這就是位於義大利比薩南部的VIRGO探測器以及分別位於美國兩個地點的激光干涉引力波天文台（LIGO）承擔的重任。這些儀器能夠探測出相當於原子直徑比上太陽系直徑的距離相對變化。在21世紀初的首階段運行中，這些探測器未能探測到引力波，但是此後研究者對它們的靈敏度進行了一次大升級。先進LIGO（Advanced LIGO）已投入運行。VIRGO探測器的高級版本也將在2016年投入使用。

這些探測器利用的是干涉測量方法。測試質量是懸掛於探測器的兩個互相垂直的長臂末端的反射鏡。探測器兩臂內穿梭著大功率的激光束（功率可達200瓦特）。兩臂長度的微弱變化會影響兩束激光相遇處的光強。

兩個反射鏡相距越遠，由引力波造成的臂長變化量就會越大，也更「容易」被觀測到。法意合建的VIRGO探測器的臂長達3千米。紅外激光器發出的激光束被半透明反光鏡（分光鏡）一分為二。每束激光會進入一個長達3千米的光腔，然後照射到反射鏡上（即測試質量），接著反射鏡會把激光反射回分光鏡那裡。在返回分光鏡前，激光在光腔中已被來回反射了許多次。這多次來回會顯著增加探測器的等效臂長。由於光的波動性，分光鏡上兩束激光互相疊加發生干涉。實驗開始前，科學家調整儀器，讓兩束激光發生相消干涉——一束光的波峰正對應另一束光的波谷，反之亦然。通過這種方式兩個光波互相抵消，而感測器（一個光電二極體）不會記錄下任何信號。

當引力波經過時，每束激光的光程會發生微小的變化。這將會改變兩束激光波峰和波谷的相對位置，因此兩者的疊加並不會發生相消干涉，而感測器則會記錄下一個信號。研究人員可據此推導出臂長的變化並確定是否曾有引力波經過。經過升級改造的干涉儀可探測的最小臂長變化量的量級是10-20米，差不多是質子大小的十萬分之一。但是，除了引力波以外有許多其他因素會影響反射鏡之間的距離，因此，物理學家需要從「噪音」中分離出由引力波引發的信號才行。

作者：法國薩瓦大學粒子物理實驗室教授、《環球科學》雜誌特約專家達米爾布斯庫里克（Damir Buskulic），法國圖爾大學數學及理論物理實驗室副教授、《環球科學》雜誌特約專家路易克維蘭（Loc Villain）

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