【中國直郵】I READING愛閱讀 重力波探索宇宙奧秘的時空漣漪

內容簡介

自從愛因斯坦在1916 年預測了重力波以來，人們意識到了引力波存在的可能性。儘管存在著來自局部震源的干擾問題，以及為確定重力波所需的具有極高靈敏度的儀器的難題，但物理學家們自1960年代以來就一直致力於重力波探測，為的就是突破人類技術和探索宇宙奧秘的能力極限。當然，這遠不止「證明愛因斯坦是對的」這麼簡單，這代表著一個天文學全新的分支正在被建立起來。未來，它可能會帶來更多的發現，並有能力檢驗迄今為止都無法被證實或否認的理論。

《重力波: 探索宇宙奧秘的時空漣漪》（「微百科全書系列·第二季」）一書全面介紹了當代物理學的前沿課題、破解宇宙時空奧秘的新途徑——引力波，從引力波概念的提出、探測設備的發明，到LOGO計畫的規劃、組織、實施和探測成果，全景展現了科學家們在漫長且充滿波折的探索歷程中的不懈求索精神，突顯了引力波天文學革新天文科學研究的廣闊前景。

作者簡介

布萊恩·克萊格（Brian Clegg），知名科普作家，畢業於劍橋大學物理系，撰寫了多本暢銷科普圖書，主題涵蓋宇宙學、無窮問題、量子理論等，如《宇宙大爆炸之前》 《構造時間機器》《萬有引力》《量子糾纏》。他的《無窮簡史》《骰子世界》都入圍英國皇家學會科學圖書獎。他也是《自然》《衛報》《物理世界》等刊物的專欄作家、專題評論家。

目錄

大事記

1發現重力波

2什麼是波？

3愛因斯坦的寶貝

4重力波挑戰

5中子星之舞

6魔鏡

7虛假的希望

8了不起的引力波

9展望未來

拓展閱讀

精彩書摘

重大科學計畫的科學研究人員有時會獲得公眾的盛讚。當即時科學運行數據公佈並被同行科學家仔細驗證後，這些科學研究人員費盡心力和時間取得的成果就會轉化為公共財富，並被世界各國媒體競相報道。但在2015 年9 月14 日以前，LIGO團隊，也就是雷射干涉儀重力波天文台的科學研究人員，從未有這樣的期望，沒人想到50年來毫無成果的工作即將以一種意想不到的方式得到回報。

這項大規模的LIGO 實驗涵蓋了美國兩個廣闊的站點，並得到了世界各地1000 多名科學家的支持，目前正在進行一項工程運行。這是重力波天文台幾天後投入運行前的例行技術測試。這是第八個也是最後一個微調週期，之後事情才會變得有趣。在美國東部標準時間上午7 點左右——正是英國時間的正午——第一封電子郵件已經發送給了感興趣的各方，這標誌著天文學自引入望遠鏡以來最大的變化的開始。

這一天，我們對宇宙的認識實現了飛躍。

把LIGO 稱為天文台似乎太輕描淡寫了，但實際上它卻是如此。 LIGO 包括兩個相距3000 千米（約1865 英里）的巨大場地，這兩個近乎相同的設施，一個在路易斯安那州的利文斯頓，另一個在華盛頓州的漢福德。兩個場地都有一對4 千米（約2.5英里）長的管子，直徑1.2 米，彼此成直角形成L 形，激光沿著這對管子通過，在光束聚集形成光學干涉圖樣之前，多次被端部的鏡子反射形成一組微小的干涉條紋，干涉條紋邊緣極微小的變化都可以被觀察到。光束長度最微小的變化也會被偵測到，而這種變化應是在存在重力波的情況下發生的。 1916 年，阿爾伯特愛因斯坦曾預測過空間和時間結構中的漣漪，但從未被檢測到。

這兩個巨大的孿生系統，包括那些4 公里長的金屬管，其中幾乎沒有空氣。空氣分子的振動會散射雷射光束，將「雜訊」引入監測的訊號中。任何聲音振動和氣流衝擊對懸掛於管端部的反射鏡而言，都會影響其反射雷射光束。這些管道內的壓力是大氣層的萬億分之一，這需要連續抽氣40 天，在此期間，管道需要加熱到150 ℃以上才能從金屬表面排出盡可能多的氣體。

光是為抽空管線做好準備就花了極大的心思，在美國偏遠地區安置精密設備也有很大的難度。這些管道很大，需要較長的時間建造，在此期間當地的野生動物都在此安了家。當利文斯頓當一位工作人員走過幾近完工的管道時，他在管道內發現了黃蜂、黑寡婦蜘蛛、老鼠和蛇。這意味著它們含酸的尿液會在純淨的不銹鋼上留下污點，當空氣被抽乾時，這些污漬會釋放出蒸氣，在管道實現真空環境之前需要進行大量的清潔工作（一旦涉及酸， 「不銹鋼」就不會再「不鏽」）。

儘管操作管內真空度很高，但它們的金屬壁只有3 毫米厚。如果沒有沿著操作管設置的密集加強環，外部氣壓就會壓碎它們。每根管子的外部都是用混凝土包裹住的，這樣做不是為了做真空防護，而是為了緩衝外部衝擊。這就好比一輛警車在夜間撞上漢福德天文台的一根管子，司機手臂骨折，但管子卻完好無損。若空氣湧入受損的管子中後果將是災難性的，由此產生的空氣爆炸會摧毀大部分探測系統，造成價值數百萬美元的損失。

由於長臂延伸出較長的距離，它們的支撐物必須隨其長度逐漸增加高度以適應地球的曲率。從其一端到另一端有超過一米的高度差，人們需要保持管子完全筆直。而這只是確保探測器正常運作要考慮的一個小問題，另一個更大的問題是振動。為了應對環境中不可避免的振動，LIGO 擁有一整套的即時回饋系統，用於監控各個部件的位置，並對機臂和其他部件進行微小的調整來應對變化。系統可實現每分鐘監控位置983000 次，平均每0.000061 秒一次。 「隔震平台」處理的振動是比LIGO 日常檢測到的波級大100 萬倍左右的較大振動。其他的防震措施是透過懸吊系統來實現的，這些系統用於防止LIGO 的反射鏡由於重力波以外的原因而移動。它們使用四個獨立的鐘擺懸吊來抑制晃動，將鏡子懸掛在只有人類頭髮直徑兩倍的玻璃纖維上，並保持40 公斤的「測試品質」——反射鏡，盡可能的穩定。

……

路易斯安那州和華盛頓州的LIGO天文台在觀測過程中總共要收集100,000個資料通道的資訊。收集的資訊流既包括直接觀測到的管內雷射幹擾數據，也包括關於反射鏡、真空管的狀態和周圍環境的詳細環境數據。地震儀也加入其中，以確保地球的任何物理振動都可以被中和，這使得科學家能夠最大限度地消除不必要的噪音和乾擾，專注在實際訊號上。

……