【儀表網(wǎng) 儀表人物】引力波的出現(xiàn)觸發(fā)了科學(xué)界的神經(jīng)，除了科研人員的功勞外，也離不開測量計(jì)量儀表的輔助。2016年2月份，麻省理工的激光干涉引力波天文臺(tái)liGO宣布人類直接探測到了引力波，這一消息引發(fā)了關(guān)注。直接探測引力波的意義不僅僅只是驗(yàn)證了愛因斯坦廣義相對論的預(yù)言，更是為人類了解我們所在的宇宙開辟了一個(gè)全新的窗口——由于引力波獨(dú)特的性質(zhì)，我們可以利用引力波觀測探索電磁輻射等傳統(tǒng)觀測手段所無法企及的全新物理現(xiàn)象。 而在五花八門的引力波探測器中，為什么是liGO笑到了后?利用引力波，又真的能發(fā)現(xiàn)外星人嗎?……
　　
　　《造就》特約記者帶著種種好奇前往麻省理工學(xué)院liGO總部，希望讓liGO探測科學(xué)家來親身敘述那些鋪天蓋地的報(bào)道新聞中遺漏的種種細(xì)節(jié)。
　　

　　　　
　　彼得•弗雷斯切爾(Peter Fritschel)是MIT的研究員，同時(shí)也是liGO實(shí)驗(yàn)室的探測科學(xué)家。有意思的是，我們了解到，他已經(jīng)在引力波探測這個(gè)領(lǐng)域工作了差不多30年!即使沒有這次發(fā)現(xiàn)，他們整個(gè)團(tuán)隊(duì)也會(huì)繼續(xù)堅(jiān)持下去，開發(fā)新設(shè)備、新技術(shù)，持續(xù)地探測。也就是說，這個(gè)科學(xué)家耗了近30年去證明百年前另一個(gè)偉大科學(xué)家一個(gè)猜想驗(yàn)證上，并且，在未來也會(huì)耗盡一生專注在成功概率極低的宇宙黑洞、中子波等等物流現(xiàn)象的探尋上。
　　
　　他認(rèn)為，這次引力波被成功探測到有兩大意義。、這不僅是liGO，也是上其他探測器在幾十年不懈努力后，人類次真正探測到想象中的引力波。第二、這次探測到的引力波是由兩個(gè)大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生。這兩個(gè)黑洞都相當(dāng)于太陽質(zhì)量的30倍左右，且處于同一個(gè)二元系統(tǒng)中，相互環(huán)繞運(yùn)行并逐漸靠攏，終合并為一個(gè)黑洞。
　　
　　這個(gè)發(fā)現(xiàn)開拓了引力波天文學(xué)的新領(lǐng)域，預(yù)計(jì)未來還將發(fā)現(xiàn)更多類型的引力波來源，而人類通過探索這類引力波來源的特征，以及黑洞之間的質(zhì)量差異等等，將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多其他類型的天體系統(tǒng)，比如中子星和超新星等致密天體。
　　
　　從2010年開始，liGO探測器開始升級，到2015年才完成升級的過程。其實(shí)探索引力波的工作，是從21世紀(jì)初就開始了，但因?yàn)樵缙诘奶綔y器沒有探索到引力波，所以liGO設(shè)計(jì)了升級版。為了讓設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)水平，liGO采用增量策略，不斷調(diào)試設(shè)備、并且在提高靈敏度的漸進(jìn)過程中順道收集更多的數(shù)據(jù)。“這個(gè)過程(從設(shè)計(jì)升級到完成升級)，基本上花掉了我們本世紀(jì)的頭十年。”
　　
　　liGO在2015年9月14日計(jì)算機(jī)模擬顯示兩個(gè)黑洞碰撞到空間和時(shí)間的扭曲。
　　
　　liGO在讓新探測器運(yùn)行時(shí)，是逐步提升儀器的靈敏度到大值，但其實(shí)尚未達(dá)到設(shè)計(jì)能力，目前儀器只達(dá)到設(shè)計(jì)靈敏度的三分之一。但新的探測器運(yùn)行次進(jìn)行數(shù)據(jù)收集工作就探測到了引力波。
　　
　　彼得微笑著透露了一個(gè)細(xì)節(jié)：升級版探測器的數(shù)據(jù)搜集的工作是從去年9月開始，持續(xù)到今年1月結(jié)束。其實(shí)升級版探測器探索到引力波信號，是在2015年9月，之后經(jīng)過反復(fù)確認(rèn)才公布。
　　
　　而他們從來都沒有預(yù)料到，一開機(jī)就會(huì)探測到上述的雙黑洞系統(tǒng)。因?yàn)槎嗄陙?，科學(xué)家一般都認(rèn)為引力波來源可能是雙中子星系統(tǒng)。雙中子星系統(tǒng)不像黑洞這么大，質(zhì)量小得多。“在那個(gè)時(shí)候，對于探測到雙中子星的可能性，我們其實(shí)并不是很樂觀。要知道，不到50%的把握。”
　　
　　不過，liGO一直并未把雙中子星視為引力波的源頭，他們預(yù)測引力波源頭應(yīng)該很廣泛，其中就包括雙中子星和雙黑洞。只要發(fā)現(xiàn)一個(gè)明確的源頭，就能相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算出它發(fā)射的引力波有多強(qiáng)。
　　
　　所以，liGO的探測器被設(shè)計(jì)為尋找雙致密天體并合這種具有普遍性的二元系統(tǒng)的目標(biāo)，他們會(huì)尋找二元系統(tǒng)崩潰時(shí)的信號波形，然后進(jìn)行計(jì)算……這類系統(tǒng)的基本信號波形是相同的：螺旋部分呈正弦波，其頻率隨時(shí)間而增加，幅值也隨時(shí)間慢慢增加。信號頻率開始越升越高，而信號幅值也越來越大。后，二元系統(tǒng)崩潰，兩個(gè)天體終合二為一，信號呈現(xiàn)衰減趨勢。
　　
　　在尋找這種有普遍性的系統(tǒng)時(shí)，liGO必須得先確定尋找的范圍。比如尋找總質(zhì)量是太陽質(zhì)量一百倍以內(nèi)的二元系統(tǒng)。
　　
　　由于黑洞本身不會(huì)發(fā)射任何電磁波。在雙黑洞合二為一的過程中，它們同樣不會(huì)發(fā)射任何電磁波。到目前為止，沒有人成功觀測到黑洞的碰撞，但人們卻推算出了這一過程。
　　
　　彼得介紹，liGO所設(shè)計(jì)的升級版探測器從某種意義上來說，更類似一個(gè)麥克風(fēng)，它能從各個(gè)方向接收空間中的波動(dòng)。他們建造了兩套探測器，對著天空中的某個(gè)范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集，通過比較到達(dá)時(shí)間的差異，在一定程度上確定某種波動(dòng)在天空中的方位。也就是說，這次發(fā)現(xiàn)其實(shí)是個(gè)偶然性很大的事件。
　　
　　《造就》查閱資料發(fā)現(xiàn)，目前科學(xué)界探測引力波的儀器，是以激光干涉儀為原理，代表就是美國的liGO和歐洲的VIRGO?；驹硎牵喊岩Σ⊕哌^導(dǎo)致的長度變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榧す飧缮娼Y(jié)果的光強(qiáng)變化。不用什么別的工具，我們能通過手機(jī)貼膜貼合不均勻處的“干涉”條紋，直觀看出貼合間距的微小變化。同理，liGO也能通過測量兩束相干紅外激光的干涉光強(qiáng)，判斷激光臂長的極微弱變化。
　　
　　這個(gè)原理放到天空上，能得到更長的臂長：長達(dá)數(shù)萬公里。這樣引力波導(dǎo)致的變化將更加明顯。所以美歐提出了liSA計(jì)劃，中國也提出了天琴計(jì)劃，都是打算發(fā)射空間衛(wèi)星，組成干涉儀網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行長距離的干涉測量。
　　
　　liGO的探測器可以說是一種對頻率~100的信號敏感激光干涉儀——這正是雙黑洞、雙中子星等雙致密天體并合前的一瞬發(fā)出的引力波的頻率。這種雙星并合事件的引力波有獨(dú)特特征，容易識(shí)別，因此不難理解，是liGO搶先探測到了引力波。
　　
　　而liSA、天琴對頻率為~10^-2到~10^-4的信號敏感。因此它們更適合尋找銀河系中相對慢速繞轉(zhuǎn)的雙致密星，以及因身材龐大而轉(zhuǎn)不快的超大質(zhì)量雙黑洞。
　　
　　雖然很多科幻小說中設(shè)想，人類將來或許將使用引力波與外星人進(jìn)行交流，比如中國影響力大的科幻小說《三體》中就有這個(gè)情節(jié)。但彼得解釋：引力波的特性是它與物質(zhì)的相互作用非常弱，它能從源頭直接傳出，而且在傳播過程中不發(fā)生任何改變。與從前天文探測所依賴的電磁波會(huì)跟自己穿透的物質(zhì)互相作用，當(dāng)被探測到時(shí)，它的特征已經(jīng)發(fā)生變化，科學(xué)家總是得試圖弄懂是什么扭曲了它。所以，從理論上來說，引力波確實(shí)很適用于星際通訊，因?yàn)椴还芩鼈鞑ミ^程中通過了什么物質(zhì)，都不影響交流。
　　
　　但問題在于引力波很難被制造。而且檢測引力波也不容易，“我們使用了像liGO這樣的大型探測器才檢測到黑洞這樣大的引力波事件。也許我的想象力不夠，但是我認(rèn)為不太可能(將其實(shí)際用于星際通訊)。”
　　
　　對于未來探測到更多的引力波，彼得還是非常樂觀的。因?yàn)楝F(xiàn)在這套設(shè)備的靈敏度，只有設(shè)計(jì)水平的三分之一。當(dāng)它達(dá)到設(shè)計(jì)能力時(shí)，意味著靈敏度能提高到初始的三倍，就是說，對引力波更加敏感，而且探測距離將三倍于從前，這就是引力波不同于電磁輻射的另外一個(gè)特點(diǎn)。
　　
　　人們通常使用電磁波望遠(yuǎn)鏡測量能量，電磁波的強(qiáng)度與距離的平方成反比。它的強(qiáng)度與距離的平方成反比。而引力波的振幅強(qiáng)度與距離成反比。所以，如果我們把靈敏度提高到原來的三倍，那么就可以觀測到三倍遠(yuǎn)的距離，“這意味著我們可觀測到的空間就擴(kuò)大到原來的27倍!”
　　
　　現(xiàn)在liGO與意大利的處女座引力波探測器已經(jīng)開始合作，互相分享數(shù)據(jù)和技術(shù)，“只有大家彼此分享數(shù)據(jù)，科學(xué)才更容易進(jìn)步。”彼得還透露，日本也在建造一個(gè)位于神岡礦場的地下探測器，它還需要好幾年才能以有效的靈敏度投入運(yùn)轉(zhuǎn)，但相信終他們也會(huì)合作。目前l(fā)iGO有三個(gè)探測器，分別位于美國華盛頓州和路易斯安那州，第三個(gè)探測器則放在印度，而且是采用liGO提供儀器，設(shè)施將由印度政府建造和運(yùn)營的合作模式。他非常期待能在中國也建設(shè)一個(gè)探測器基地。
　　
　　這位讓人尊敬的科學(xué)家，他想對糾結(jié)于收入與愛好兩種選擇中的年輕人說：“你是不是喜歡你的工作?你自己有沒有在做一項(xiàng)有挑戰(zhàn)性的工作并享受其中?你是不是和一群你喜歡的人一起工作。只有這樣，你才會(huì)不斷地被激勵(lì)。”這個(gè)世界上，有許多可以實(shí)現(xiàn)造就自己、造就未來的方法。于他而言，造就指的就是基礎(chǔ)科學(xué)研究，對于其他人，可能是藝術(shù)或音樂。“如果你被那種創(chuàng)造精神所激勵(lì)，你需要找到一個(gè)機(jī)會(huì)，并且積極去追求它。”