诺奖得主Rainer Weisss墨子沙龙开讲：LIGO引力波测量原理
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视频·Rainer Weiss
文字版
我知道大家都学过牛顿的引力，但引力波其实是与爱因斯坦的引力有关，爱因斯坦的引力从另一个角度看待引力的相互作用，所以这是一个完全不同的理论。
物理学家一百年前就知道它了，但是今天很多人可能对它依旧陌生。
这个理论认为两个物体之间的引力相互作用并不是力，而是由于物体的存在造成空间和时间的扭曲。这张简单的图片，可以帮你对这个理论有一点大致理解。
这张图片显示的时空就像小孩子玩的攀爬架，就像一堆杆子组装的网格，这里只选取了时空的两个维度，你可以看到大的黄色的圆球是太阳，最右边这个是地球。你会发现远离太阳的时空是直的平坦的，而在靠近太阳的地方是弯的扭曲的。在地球这儿你也可以看到一个小坑就像太阳的一样，所以第一个现象就是空间自身会被其中存在的物体扭曲。
另一个现象这里看不出来，但我可以告诉你们，如果我们在每一处都放一只表。在远离太阳和地球的每一处，这些表的时间是相同的，但另一方面，在靠近太阳附近扭曲的空间时，这个地方的表会比远处的表走的慢一点，这对于地球（附近的空间）也是一样的，所以有两样东西被扭曲了，空间和时间一起被空间中的物体扭曲。而空间和时间的样子可以告诉我们物体是如何运动的，这就是爱因斯坦的理论。
为什么这个理论重要呢？它有什么与牛顿力学不同的地方呢？它对于大质量和高速的物体也是适用的，而且有（引力波这样）一种信息从一处传到另一处的方式，牛顿力学没有这样的有限速度的传播方式，但是在爱因斯坦的理论中我们有引力波，它大致长这个样子（见视频），引力波由加速的有质量的物体产生，就像电磁学中，电磁波由加速的电荷产生，在这个理论中（引力波）由加速的质量（产生），这些引力波，我稍后会解释。
这些点的图案就是引力波，引力波的传播速度是光速，现在我们知道这是个事实，Barry稍后会进一步解释，还有很关键的一点就是它是特定的一种波，（引力波）是横波，这个波在垂直于它的传播方向上振动，这就是它的样子。
也许我应该站的近一点，假如你站在这里，这个红方框就是你。你会注意到你身边的运动有两种，在一个方向上拉伸另一个方向上压缩，你还会注意到离你近的（点）运动幅度比较小。红方框附近的两个点运动幅度并不大，但是远处的点运动幅度就大得多。
这张图片说明，位置的变化除以两个点的距离，也即长度的变化除以长度，被称为应变。它在任何给定的时刻是一个常数，它在扩张的方向上是正的，在收缩的方向是负的，很像是你做一个橡皮带然后拉伸它，我们就通过探测这些运动来探测引力波。
Russel A.Husel
Joseph Taylor
第一个在这方面有过尝试的人，最早测量这个现象的是这两位，这就是他们，他们由于间接地测量引力波获得了1993年的诺贝尔奖，他们的方法是测量两个中子星，这就是他们做的。Hulse当时是个研究生，Joseph Taylor当时是个教授，他们用射电望远镜发现了一个系统。
这就是那个射电望远镜的结果。他们观测了一个在望远镜信号中不停振荡的天体，大约每秒17次。
他们观测到的其实是一颗脉冲星，即一种中子星。他们看不到但可以“听”到，他们注意到那颗星星有时候比每秒17次更快，有时候比每秒17次更慢，这就给了他们证据说明还有一颗星星在附近，虽然他们看不到，可能也是一颗中子星，但他们没有接收到（那颗的）脉冲信号，然后他们就长时间观测了这个系统，并观察到了各种牛顿力学中难以检验的现象，与其他系统相比这个观测全新的一点是，它非常准确地检验了爱因斯坦理论的很多预言。
其中他们看到的一点就是，当他们求解这个系统时，发现轨道环绕一圈的周期，会随着时间变得越来越短，就像这张图里展示的一样，这是又一次绕轨道一周的时间。它变得越来越短，所以是负号，它是一个随时间变化的函数，时间是从1973年到大约2000年，他们注意到了这样的事，这些点是他们的数据。
这些点显示出天体在变得越来越近，它们相互旋转的周期也越来越短，这条数据之间的线就是基于爱因斯坦理论预言的曲线，这个系统由于放出引力波而损失能量，这是第一次间接观测到引力波，一次非常重要的测量。
我没有按时间顺序讲，但在他们开始这个实验之前，可能稍早一点，在美国的马里兰大学有一个科学家。想用一个大圆柱探测引力波，就是图中那个圆柱，这就是他站在柱子旁，他希望引力波穿过圆柱时会突然拉伸它，很像是用一个锤子敲打柱子，之后就能听到柱子发出的声音。不幸的是，虽然他听到了声音，在全球的几个探测器都听到了，是许多重复他的实验的人都没有听到他听到的，此这个结果充满争议，但他确实是第一个试图用仪器探测引力波的人。
Joseph Weber
LIGO的探测方式与此是不同的，LIGO的方式可以见这张图（见视频）。通过测量两个方向的光传播所需的时间来测量引力波，回顾一下引力波的那张图。如果引力波这样从图片前上方传过来,如果我们有在这里放置物体，比如这里有有激光，这里是分束器，一个把光分成反射照向那一面镜子和另一束光透射传播到那面镜子，这就是之前引力波那张图中对应的那个位置，之前我展示过的引力波的图中那个红方框所在的地方，也就是你刚才站的位置。
仅为参考，详见视频（来源：google）
这里是光探测器，看起来非常粗糙，现在我们把光打进来，我们把激光打开。你会看到这是一束激光，红色的就是有激光功率的地方，弯弯曲曲的东西是光的电场。光线从镜子中反射出来，调整镜子使得光从一个方向来回的时间，与另一个方向来回的时间恰好相同，这样就没有光进入探测器，你在探测器看不到红光，两个路径的光相互抵消了。
如果有引力波，一个镜子会向里另一个镜子会向外运动，两束光就不对称了，你就会在探测器中看到光，这就是LIGO的基本原理。换句话说（光）在垂直于引力波传播方向上两条路径距离相同，而当引力波到达时，你就会在光探测器上看到信号，原理很简单，但问题就在于信号并没有你在这里看到的那么强，接下来Kip Throne会告诉我们如果你想看到引力波，你需要做到比光的波长精度高的多。
换句话说，虽然LIGO的一条臂有四公里长，但端点的移动会非常非常小。如果去探测真实的引力波的源的话，事实上Kip告诉我们，很早就告诉我们，你需要至少测量10^-21的应变，在4千米的长度上就大约是4*10^-18米，它非常小，大约是原子核尺寸的一千分之一。这就意味着，你需要非常精准地测量距离，例如对光来说，就是10^-12倍的光的波长，换句话说你需要发展一种技术，能够测量10^-12倍的光的波长。你还需要保证镜子自己不会移动大于10^-18米的距离，这意味着地球的震动大约在在10^-6米，这个房间也许没那么糟，但在10^-6米的量级上。这同样意味着你需要发展技术，使得镜子自身移动不超过10^-12倍的地球的移动，这就是LIGO实现这一目标的方法，这就是LIGO探测器看起来的样子。
有各种各样的小镜子，我不会详细解释，但我想展示一下刚才已经给你们看过的东西，对应之前展示过的那张图，这里是激光，这里是分束器，然后我们有这两面远远的镜子，在远处的末端，对于这些镜子，现在我们需要额外的装置去实现10^-12的精度，其中一种方法是把光来回反射很多次，所以我们在这儿和这儿安装了前面的镜子，使得光可以来回反射很多次，另一件事是由于没有光照到探测器，所有进入干涉仪的光会从原路出来，我们在这里放另一个镜子，聪明地解决了问题，这个镜子对于激光是部分反射的，你可以看到，激光照到它会被反射。由于这束光被从进入干涉仪又回到这儿的光抵消了，就这两束光，这束（被反射的）光与这束（从干涉仪回来）穿过它的光在这里干涉相消了，它的作用就是增强了干涉仪内部的光，这就是另一个必须的技巧。
最后一个技巧是用在先进LIGO中的，Barry会进一步讲解，是在探测器前放另一面镜子，它的作用是改变系统的响应，它使得我们可以知道系统自身的频率响应，这是用来提高精度的另一部分，降低运动到（地面的）10^-12倍使得（镜子）的振动不超过10^-18米。
这张图展现了其中的一些想法，其中一种做法，被动式的做法，如果你做一个右边那样的单摆，就像这个一样，比如这个单摆的顶端被固定在震动的地面上。如果你慢慢移动，这是下面的镜子，它们会一起移动，但是如果（顶端）移动很快，单摆就不会移动，上面的移动越快，下面的移动越少，这是牛顿第二定律决定的，所以我们重叠使用这个设计，在这个图片中我们可以看到四个一串的单摆，在顶端的是弹簧。这是一个重物，下面挂着另一个单摆，紧接着是一个重物，连着另一个重物，这是有质量的物体，在底部是需要小心保护的贵重的镜子，这一串四级单摆对于降低噪声到需要的水平至关重要，但这还不是全部。
这个系统固定在一个看起来更复杂的东西上，这是放在地版上的悬挂系统，这是四个重物，悬挂在另一个主动隔振系统上，这个系统测量平台的运动，在测量了平台的运动后，我们就可以对平台施加一个反作用力使得运动距离为零，这很像是飞机上人们用来听音乐的耳机，他们不想听到飞机里吵闹的声音，这儿声音相消的原理是相同的，这就是主动系统消减地面运动的影响的原理，这两种方法一起发挥了重要作用，Barry会告诉你们它们是如何被用来进行探测的。
最后我还想讲一点未来必须解决的问题，关于所有噪声来源的问题。这是一张比之前你看到的略复杂的图，这也是我的最后一张幻灯片，这张图表示了干涉仪的噪声。
纵轴是噪声的频率密度，应变的噪声除以根号下频率，横轴是频率，比如这里是100赫兹，一个对我们很重要的频率，比如说如果我们要计算100赫兹的频率密度，在这里橙色的部分就是我们在LIGO搭建的第一台干涉仪的性能，把10^-23乘以这个频率的开方就得到10^-22，这个每开方赫兹的频率密度，比我们需要的稍好一点，与我们预想的大致相同，你可以看到我们的结果是受这些曲线限制的光越强，这就是大约需要的光强，如果你增加光强，你可以把这条曲线降下来，如果增加光强，你可以获得更高的性能更准确地知道镜子的位置，但是你也会因为增加光强付出代价。
你会注意到有趣的现象，在这个干涉仪不重要，但在这边，你会看到光压的噪声，它在这里不重要，但在新的仪器中很关键，你在增大光强的时候也增加了光子的数量，光子会把作为重物的镜子推开，所以噪声就会因为功率增加而变大，就像这边增加功率减小噪声一样，这就是量子噪声。这就是存在的必须解决的问题，很像是物理课上提到的微观世界的海森堡不确定原理。
另一个很重要的噪声来自于所有这些器件都在室温中，所以这儿有热噪声，另一个限制精度的是地面噪声，它可以被我刚刚告诉你的方法解决，这是干涉仪的一个早期版本，还有其他一些噪声会有影响，解决这个噪声成本很高，换句话说如果不是在真空中，噪声会随着这些非常长，4公里长的管道中气压的升高而增加，最后图片中还显示出一个噪声，就是这个绿色的噪声它是由于即便你有一个完美的隔振系统，你依然受制于这个噪声，这个噪声是由于地面和空气的密度都在波动，这些波动会直接推拉镜子，直接通过经典的牛顿引力把镜子拉来拉去，这使得我们最终去考虑在太空而不是在地面上探测引力波。我们希望我们可以找到优雅的方式把测量装置做小一些。
这些就是我想说的一些制作一个引力波探测器时必须考虑解决的东西，谢谢大家！
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