諾獎得主Barry Barish報告：我們是如何探測引力波的？| 視頻
之一
諾獎得主Rainer Weisss：LIGO引力波測量原理
之二
Barry Barish視頻
文字版
這是LIGO的照片，在這個諾大的房間里，可以看到LIGO的腔體，這些腔體巨大，在腔的兩端，這兒和那兒，又大又直的部分叫做真空閥門，閥門關閉並使腔體內保持真空，就像Rainer Weiss展示的那樣，這是進行實驗的必要條件。
我們在腔裡面安裝有大型光學器件，比如鏡子，激光和測試儀器等，這些是我們實驗裝置演變的基礎，這就是它看起來的樣子，人大概只有它三分之一或者一半的高度，雖然圖片里沒有人，但尺寸大致是這個樣子。
這是真實記錄的數據，這張圖片Rainer Weiss剛剛展示過，這些數據是在LIGO干涉儀建成但還沒開始探測引力波時獲得的，大家之前看過同樣的圖。橫軸是頻率，從 1 Hz 到10000 Hz，基本是人耳朵能聽到的範圍，這個頻率範圍內地面震動足夠小,所以才能做LIGO實驗，我們的實驗室的環境大致就是這個樣子，如果我們不去太空做實驗的話。LIGO引力波探測範圍，最低頻率處地球的震動很小，最高頻率受限於採樣率或者激光光強。
這一條條的數據曲線，是從1990年代末LIGO建設完成並進行測試，到2001年才開始進行引力波探測後得到的一系列數據，每一條都是頻率響應曲線。曲線的左側隨著地面震動（減弱）而下降，右側受到激光光強的限制，中間就是Rainer所說的熱雜訊，熱雜訊是由測量的重物工作在室溫下造成的，每條曲線都比之前的要好。
這就是實驗物理學家的工作過程，進行測量理解限制實驗測量的因素，改進然後做得更好。所以我們在一直改進，這是其中大約七八條曲線，每條曲線間隔幾個月，在期間我們會做一些改進升級裝置，這展示了我們如何一點一點進步的，即使最上面那條曲線對應的最早的裝置，也比之前搭建的任何儀器靈敏。
從2001年起之後的10年，每次我們尋找引力波，都會做這樣的測量，10年期間有6個階段，我們採集大量實驗數據以尋找引力波，每次都失敗了。作為實驗物理學家，這就是我們的工作，就是一次次做實驗，盡我們所能尋找引力波，然後沒有發現，我們發表試驗結果，同時改進實驗做到越來越靈敏，換句話說，不斷改進Rainer Weiss的最後一張幻燈片中提到的幾個方面，與地面隔離得是否足夠好，如何在高頻部分有更多的光子數等等，基本就是這樣的過程。
最終在沒有測量到引力波的情況下，實驗裝置發展到LIGO的初代，
圖中兩條彩色
曲線是對應的頻率響應，兩次測量的光學器件有一點不同，這條線是我們的設計目標，也是可以做到的，我們還是沒有看到引力波，這是大約2010年，然後是數據分析，但那時我不在。
隨後我們決定在之前的工作之上做更徹底的改進，更新到高級版本，原理還是一樣，但是改進過了，我馬上會展示關鍵的改進，就像實驗物理學家經常的做法。我們設定了在每個頻段提高10倍靈敏度的目標，如圖所示，靈敏度也就是Rainer Weiss說的測量δL/L （應變）的靈敏度，這個就是靈敏度，它意味著我們可以測量的宇宙範圍，所以如果靈敏度提高10倍，我們就把探測的宇宙範圍提高了10的立方倍，因為我們是在宇宙三維空間內探測，所以探測引力波的靈敏度就提高了1000倍，這就是我們的目標。
這10倍的提高的方式是在高頻段用更強的激光，中間頻段用更大更好的熔融石英作為測試的重物，它們有40kg重並且鍍膜，可以反射激光，在低頻段提高隔震，所以每個頻段都至少提高了10倍，在開機運行測試6個月到1年後，靈敏度成功提高了3倍。
如圖所示，上面那條曲線是改進到先進LIGO之前的裝置探測到的，可以看到先進LIGO在高頻處提升了3倍。兩條不同顏色的曲線代表兩個探測器，一個在美國西部的華盛頓州，另一個在東南部的路易斯安娜州，應變靈敏度提高3倍，使探測到引力波的靈敏度提高了3的立方即27倍。在低頻段，40Hz處，應變靈敏度提高了100倍，引力波探測靈敏度提高100的立方即一百萬倍，這時的靈敏度就遠遠高於LIGO的初代，在高頻處引力波的探測靈敏度和速率高了27倍，在低頻處高了一百萬倍。
然後我們運行儀器，需要指出底下的黑線是設計目標，建設資金已經批准到位，只是需要時間把探測器提高到那個水平，所以未來即使不對探測器做新的改變也可以再提高3倍，在這之後我們運行探測器並發現了引力波。
給大家展示結果之前，我們先來看看這次探測的事件有什麼特點，這次探測到的黑洞碰撞是質量非常大的天體，這種非常強烈的碰撞，信號頻率往往在我們探測範圍的低頻端，所以這就是需要探測器靈敏度提高100倍原因，也就是我們改進的關鍵點。
就是Rainer Weiss提到的，把鏡子懸掛在四重懸掛裝置上，這樣就把整個儀器吊離底面，隔離來自頂部的移動，減少了測量重物本身的移動，頂部是一組彈簧，作用和汽車減震器非常相像，用來減少震動，彈簧跟主動隔震反饋系統耦合，可以有方向性地去除底面的移動，這樣就可以提高100倍。所有這些改進之後，我們運行裝置，幾天後就看到了這樣一個信號，大家可能都從報紙上和我們的第一篇文章里看到了，我給大家解釋一下。
大家如果理解了這張圖，這個講座就算是成功了。左邊坐標軸上是得到的精確度，可以和Rainer Weiss說的精確度對比，這裡廣義相對論預言的應變數量級是10^-21，注意縱軸範圍從+1到-1，即我們測量的是干涉儀臂的長度變化量與長度之比，在10^-21的範圍內，這其實是來自兩個探測器的信號，一個在路易斯安娜，一個在華盛頓。
首先可以注意到他們看起來幾乎相同，橫軸是時間，時間尺度為200毫秒，所以我們看到的信號是200毫秒內，Rainer Weiss剛剛給你們看的那個明暗對比的圖像的信號，顯示在這裡就是上下振動。我們後來確定這個信號代表兩個黑洞相互圍繞旋轉，速度和頻率越來越快，產生幅度越來越大、頻率越來越高的信號，最終合併在一起，然後振動越來越小。在Kip Thorne的報告里會有一個示意圖。
下面那個圖是可以讓實驗物理學家對結果產生信心的，如果把上面兩個信號疊加到一起然後其中一個平移6.9毫秒，兩個信號幾乎完全重合，這讓我們相信我們看到的信號是真實的，因為相隔3000km的兩個不同的靈敏探測器都測到了。
然後就是我們對這個信號的解讀，剛開始兩個天體以低頻相互旋轉，如圖所示，上下振動的信號周期很寬，然後當天體越來越近的時候信號變得越來越窄，然後合併，最後結束的時候還有一點點信號。注意下面那個圖的左邊的速度坐標軸，速度是0.3、 0.4倍的光速，所以運動速度是相對論性的，兩個天體相離幾十公里，以相對論性速度相互旋轉是非常震撼的場景，而且它們質量都是太陽質量的30倍。以上就是我們的第一次探索和發現，接下來我來介紹之後的進展。
幾個月後又有了第二個信號事件，可以看到這跟之前的發現有顯著的不同。首先信號的震蕩次數多得多，放到一個圖裡對比信號也小得多，但形式一致，先是震蕩變得越來越窄、越來越大，最終當天體合併的時候有一個尖峰信號，最後結束的時候剩下一點點很小的震蕩，這就是幾個月後看到的第二個信號。
最後，我們看到四個引力波事件和一個可能事件，如圖所示，時間軸從左向右，信號幅度是相對幅度，最上面的是第一個信號，幅度也最大，這是因為天體質量大而且距離遠。第三個是最長的信號也是最弱的信號，在裝置中存在的時間長達2秒。四個信號中第二個是一個可能事件，還不能算作確定事件因為太遠了。
最後，今年（2017年）八月我們與另外一個引力波探測器（VIRGO）合作，VIRGO是一個法國、義大利發起，波蘭、匈牙利、荷蘭等國加入的歐洲合作組織，和LIGO相比有微小的差別，但以現今實驗的目的看，可以說和LIGO非常相似。
今年（2017）八月VIRGO開始以和LIGO相近的靈敏度運行，時機恰好可以做激動人心的科學研究，這張圖的左邊是三個時間-頻率信號圖，底下三個圖是同樣的信號，跟之前看到的一樣。
右邊的圖上顯示的是，通過看LIGO的兩個探測器的時間差別和信號幅度差別，可以多大程度上辨別出引力波信號的位置。看最上面三個或者四個大條紋，可以從中判斷信號是從哪個位置來的，添加第三個探測器通過三角測量極大地提高了位置精確度。
最底下有一個特殊的信號事件，所以將引力波區位精度提高10到20倍也是可能的，在引力波探測網路中加入第三個探測器就可以。這可以看做是將引力波信息和其他各種電磁波探測信息結合起來的開端，當然這個圖中的觀測是黑洞事件，所以正如我們預料的沒有電磁設備能夠探測到的信號。由於時間關係，我跳過這張幻燈片。
我們很幸運，因為LIGO本來只運行到今年（2017年）八月份，然後我們將LIGO關閉一年以上，期間將會改進以便進行更多的探測並且可能看到其他的引力波源，但在關閉LIGO之前，我們與意-法合作組VIRGO合作進行探測，我們看到另一個事件。
這個事件跟之前的非常不同，它在探測器里存在了好幾分鐘而不是幾秒鐘，這是因為此次天體的質量要小得多。經過分析可以得知這次事件有質量的天體是中子星而不是黑洞，中子星是恆星塌縮的產物，其中的物質以非常緊密的質量很重的核物質的形式存在，但不是黑洞。所以當兩個中子星合併事件發生，會有各種核反應，而不像兩個黑洞那樣的合併。
看到這個事件後，由於VIRGO的加入，我們可以確定事件在空中的位置，如右圖所示，長長的香蕉狀的區域就是LIGO確定的位置，小的橢圓形區域是LIGO和VIRGO共同確定的，在它正好落到的這個區域內。
Fermi電磁望遠鏡正好探測到一場伽馬射線暴，如左圖所示，伽馬射線暴信號在LIGO探測到信號2秒後產生，所以我們看到了中子星雙星事件加上Fermi電磁望遠鏡看到的伽馬射線信號。伽馬射線信號也正是很多理論模型所預測的，根據這個結果，全世界的探測器都指向天空中的那個位置，其中當然包括引力波探測器，還有中微子探測器，紅外光、射頻、X光和伽馬線探測器。發現中子星合併事件後，所有這些探測手段都被用來研究其中的現象，這些核反應引起的現象。
有很多關於伽馬射線暴的理論，由於時間有限我就不解釋了，只提一些相關的結果。
首先，有一個叫哈勃常量的物理量，可以告訴我們宇宙以多快的速度膨脹，我們的數據可以定出哈勃常量，這個量的值有一定的爭論。
我們的方法幾乎獨立於基於電磁波觀測的結果，這張圖就是我們發表的關於這個常量的結果，而且和基於電磁波的觀測的最好結果是一致的，這也說明了我們通過引力波探測得出更多的結果。
其次，如圖所示，是千新星（kilonova），是描述這種合併事件發生時的各種流行的科學理論，非常引人注目。名字叫做千新星（kilonova），和超新星（supernova）很像，而且用各種不同的裝置來研究，觀測結果與理論的大致描述符合的很好，這也非常有力的描繪出，未來在這個領域，我們如何把電磁波和引力波觀測手段結合起來。
我們還可以從引力波觀測中理解另一個困擾已久的自然界的問題，即地球上的各種重元素來自哪裡。我們在地球上挖到金、銀、鉑礦，但我們不知道來自這些元素怎麼來的，因為它們很難產生，我們知道宇宙中大部分物質是氫和氦這些輕元素，我們知道自然如何製造鐵附近以下的元素，也就是通過恆星燃燒自己的核聚變過程，但是確定重元素的產生方式一直都是個難題。
我們知道怎麼在實驗室造出重元素，所以才能建立元素周期表，知道元素可以有多重，實驗室中是用中子轟擊較輕的元素產生重元素的，那麼可以類比，或許中子星碰撞可以用作轟擊產生重元素的源，因為這樣就會有很多中子轟擊其他元素，而且這種現象已經被研究過了，圖中所示是重元素來源的分析，黃色的部分是來自中子星合併事件的貢獻。我圈出了一些大眾熟知的礦產元素，比如鉑和金，你們手上的戒指都有，它們很可能是之前的中子星碰撞的產物。
最後我介紹一下引力波探測的未來，很快就會有新的探測器，日本正在神岡礦建造一個叫KARGRA的探測器，這個探測器將至少讓我們有機會使用一些新的技術，首先就是深入到震動更小的地表以下，其次就是通過冷卻裝置降低雜訊，也就是Rainer Weiss剛才提到的熱雜訊，可以被更低的溫度抑制，他們（KARGRA）應該很快就可以加入我們的合作。
LIGO和印度的研究團隊也正在印度合作建立探測器，到2020年代中期，如右下角圖所示，我們應該可以探測天空中的幾乎任何位置的信號，並且有很好的方位分辨度，同時可以和基於電磁波的觀測設備做對比。
講台交給Kip Thorne前，最後給大家看一條雜訊曲線，黑線和其他的線都是基本的雜訊貢獻源，黑線是我們用LIGO可以達到的靈敏度，這是我們把現在已有的設備雜訊降到的極限，在沒有建下一代探測器之前達到的極限，我們也有建造新一代探測器的方案，但是應該會在下一個十年。
從這條線可以看出，相比現在的精度或許至少可以再提高10倍左右，而且不用革新性的技術，只要把現有技術做到極限就可以。比如用更重的鏡子作為測量的重物，比如100公斤，測量的重物使用更好的材料，我們在考慮用單晶硅，還可以向日本的KARGRA一樣降低溫度，提高鍍膜質量，把反射激光的雜訊降到極限，以及提高激光的功率。
從科學上講，這樣提高後我們的研究領域將會涉及更多宇宙學問題，而不只是天文學問題，信噪比也會提高，雜訊曲線上雜訊非常高的地方精度也可以被大大提高，這樣我們就可以做更多實驗，比如確定兩個相互旋轉的天體的自旋如何排列，還可以提高光束質量，以便將統計雜訊提高10倍。我的報告就是這些，下面交給Kip Thorne。
製版編輯： 飲水食糧
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