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引力波探测的简单说明 精选

已有 13385 次阅读 2016-2-20 23:50 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦

 

引力波的吸引力太大了,我也要凑个热闹、说两句。

首先声明,我不懂引力波,我只想谈谈引力波的探测。下面关于引力波探测的说明,完全来自于《物理学评论快报》文章中的探测说明部分(Phys. Rev. Lett. 116, 061102, section 3: Detectors)。我只是大致翻译了一下,并加入了一些我自己的理解,不保证正确性。

 

引力波探测器LIGO实际上就是个干涉仪——迈克尔逊干涉仪。一百多年以前,迈克尔逊发明了这种干涉仪,发现“以太”相对于地球是静止的,这个奇怪的结果最终导致了狭义相对论的诞生。LIGO是个超级版的迈克尔逊干涉仪,科学家们用它发现了广义相对论预言的引力波。

迈克尔逊干涉仪是一种“分振幅”的干涉装置,一束激光通过一个半透半反镜(入射光有一半的可能性通过,另一半的可能性被反射), 分解为相互垂直的两路光(称为干涉仪的“两臂”,就像两条胳膊一样),干涉仪两臂的尽头都有个反射镜,把这两路光沿着原路反射回去,当他们再次到达半透半反镜的时候,就会在那里发生干涉,干涉的结果由一个灵敏的探测器进行检测(测量的是干涉光的光强),调节干涉仪两臂的长度差,探测器的输出可以在零(干涉极小值)和某个最大值(干涉极大值)之间变化。这个变动所需要的大小只是激光波长的量级(通常是微米)。

LIGO是超级版的迈克尔逊干涉仪,采用了很多精妙的技术来提高其测量精度,同时还有各种辅助探测器来检测干涉仪的工作条件,从而分析各种可能的外来干扰(噪音和信号)。

 

再次声明,我不懂引力波——除了最简单的那种科普内容以外:引力波以光速传播,引力波可以造成时空扭曲。关于时空扭曲这一点,我的理解是,它可以让本来等长的干涉仪两臂变得不一样长了,这样就可以用干涉仪来测量引力波了:不管这个理解对不对,我对引力波的了解也就到此为止了。

理论物理学家告诉我们,我们能够碰到的引力波都很弱——如果引力波太强了,那就意味着巨大的天文灾难就发生在我们身边,我们估计连命都保不住了,也许地球、太阳系也都要没命了,哪里还有心思探测什么引力波呢?为了测量微弱的引力波信号,我们需要非常灵敏的干涉仪,也就是LIGO——实际上是加强版的LIGO,上一个版本的LIGO用了10年的时间,啥都没有测量到,最后只好认为是测量精度还不够,现在这个加强版的LIGO是又花了大钱改造过的,灵敏度大概提高了一个数量级。但是不管怎样,我们还是叫他LIGO吧。

 

LIGO是超级版的迈克尔逊干涉仪,希望能测量到量级为$10^{-22}$的相对长度变化。为了达到这个目标,LIGO采用了哪些手段呢?《物理学评论快报》的文章是这么说的。(Phys. Rev. Lett. 116, 061102, section 3: Detectors)

干涉仪每臂的长度是4000米,也就是4公里,好长啊。可是这还不够!每臂上都添加了一个光学共振腔,使得激光能够在其中多次反射:其品质因数Q大约是300,光要来回跑300次才能逃出来,这相当于把每臂的长度增加到1200公里,好长啊。可是这还不够!又把整个干涉仪(除了激光器)以外放到另一个光学共振腔里(只是在半透半反镜附近添加两个高反射率的镜子而已),其品质因数大约是35,这相当于把激光功率增大了35倍(从20W增大到等效的700W;也可以认为,功率没变,但是臂长又增大了35倍,也就是4万公里。)这样就差不多了。顺便说一下,干涉臂共振腔里的激光功率达到了100kW——功率和臂长类似于互补的关系:20W激光和4万公里臂长;700瓦激光和1200公里臂长;两臂各100kW激光和4公里臂长。在这三种说法里,二者的乘积都是80万瓦公里——你可以随便选择一种说法。

为什么说这样就差不多了?对于$10^{-22}$的相对长度变化,4万公里臂长意味着$10^{-14}$米(考虑到来回,所以乘了个2),这是激光波长(大约1微米,$10^{-6}$米)的$10^{-8}$。对于恰当设置了工作条件的迈克尔逊干涉仪来说,这意味着可以让进入探测器的光由0增加到$10^{-8} \times 20W$,也就是$0.1\mu W$,这大约是每秒钟$10^{12}$个光子,很不少了。考虑到引力波测量关心的频率范围在百赫兹的量级(这次测量的就是大约100赫兹,持续了不到1秒钟),所以毫秒的精度就差不多了,每毫秒$10^{9}$个光子,对于现代的高灵敏探测器来说,足够了。

有人可能会问:你怎么说什么$10^{-14}$米,这比质子直径($10^{-15}$米)可是大得多了!我看到的都是说$10^{-18}$米,只有质子直径的千分之一,你不是瞎扯淡吧?不是的,我没有瞎扯淡。我说的跟他们说的是一回事:$10^{-18}$米是$10^{-22}$乘以实际臂长4公里(记住,还要乘以2)得来了,可是这时候的激光功率相当于是100KW,而不是20W;我说的$10^{-14}$米,是$10^{-22}$乘以等效臂长4万公里得来了,我考虑的激光功率就只算20W,而不是100KW了。当然我要承认:“质子直径的千分之一”,这个说法的震撼力要强的多;4万公里臂长的干涉仪,也肯定更难制造和维护。但是啊但是,无论从测量还是解释来说,这两种说法并没有差别。

 

你说足够了?听起来挺容易的啊,干嘛你不做呢?其实,这只是说信号足够大了,但是我们压根还没有谈噪音也就是外界的干扰呢——上面说的这些,只是万里长征第一步而已。外界的干扰太多了——LIGO最大的困难在于尽量分析和消减这些外界干扰。

比如说,激光的功率、频率和光束质量质量都必须极端严格地稳定住,这可不是说句话那么简单。再比如说,这4公里长的干涉臂都是安防在隔绝震动的管子里的,管子直径1.2米,长度4000米,里面都要抽真空,气压低于1个微帕,也就是标准大气压的一千亿分之一($10^{-11}$)。比如说,所有的镜子都是悬挂在“四级悬摆系统”上来隔振的,它们可以把地面震动对镜子的影响减小10个数量级。再比如说,镜子的材质、镜面镀膜材料的材质、悬索的材质,也都不是开玩笑的。我们还没有谈如何设计系统以便尽可能地平衡光子的散粒噪音(高频)、地震带来的噪音(低频)、以及热噪声(中频)这三种主要噪音来源的影响呢。

这还只是一点点而已。探测器怎么校准的?是通过测量激光产生的光压对40公斤重的反射镜的推动效果来校准的。测量仪器和控制系统的工作条件是怎么监测的?大约有10万个测量通道来监视这些东西。外界环境的变化呢?观测站里有各种各样的探测器,地震仪、加速度测量计、声波测量仪、磁场计、射频信号接收器、天气传感器、交流供电系统监视器、宇宙射线探测器,等等。这几十万个探测通道,他们测量的数据要保持时间上的同步,这个可以达到1微秒的水平。

这只是个非常粗略的描述。简单地说,只有你我想不到的,没有LIGO想不到的。

这样就够了吗?还不够。上面说的只是一个观测站,实际上有两个观测站,一个位于华盛顿州(Hanford, Washington),另一个位于路易斯安那州(Livingston, Louisiana),两地相距3000公里。一模一样的技术,一模一样的设备,建立在相距3000公里的两个地方。实际上还应该有一个的,据说有计划要在印度建一个,但是现在还只是计划而已。这是为了,为了什么呢?为了进一步提高测量的精度,同时也可以用来测量引力波的速度和偏振,以及确定引力波的产生位置。日本、意大利和德国也有类似的仪器,但不幸的是,他们的测量精度都还比较低,而且这段时间也没有正常运行——真是太不幸了。

 

2016年2月11日,LSC(LIGO科学合作组织,LIGO Scientific Collaboration)宣布,首次直接探测到了引力波。UTC时间(协调世界时)2015年9月14日9点50分45秒(北京时间17点50分45秒),LIGO位于美国路易斯安那州的利文斯顿(Livingston)和华盛顿州的汉福德(Hanford )的两个的探测器,观测到了一次置信度高达5.1倍标准差的引力波事件:GW150914。他们同时宣布,这是首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。

PRL文章里详细讲述了这个事件,文章还说,也许还有另一个可能的引力波事件,不像GW150914这么明显,但是也有可能是,正在进行更深入的分析。

LIGO的这个测量周期持续了四个月,2015年9月12日(?)启动工程试运行,正式开始于2015年9月18日,结束于2016年1月12日。2015年9月14日测到了信号,信号持续了大约0.5秒,频率大概在100赫兹,最大幅度达到了$10^{-21}$。

 

最后再说一遍,关于引力波,我是一点也不懂的。在我看来,这篇文章的意义在于:很多人花了很多时间和很多钱,建立了一套非常精密的测量系统,分析了所有目前已知的噪音和信号来源,然后在理论预言的某个频率范围内,看到了一个信号(或者说波形),这个信号不能(至少是暂时不能)用其他机制来解释,只能有双黑洞融合这个机制来解释,所以说他验证了广义相对论关于引力波的预言。

引力波测量的困难还不仅仅在于信号幅度太小了,更大的困难在于这是桩守株待兔的工作。一个引力波事件只能发生一次,你看到了就看到了,看不到就完了。现在只是看到了一次(也许还有另一个可能的引力波事件),下一次什么时候来?到底会不会来?你知道吗?谁也不知道,真是太遗憾了。幸运的是,LIGO已经观测到了一次,而且LIGO还要进一步改造,他会变得更灵敏,而且还会有其他的引力波探测系统投入使用,也许将来会观测到更多的引力波事件。这样的事件观测到的越多就越好,我们对理论的信心也就会越强。其实,现在说什么都还有些太早,最终还是要看将来的、更多的、独立的、观测结果。如果将来观测到了,那就太好了;如果观测不到,如果观测不到,那就太遗憾了,太糟糕了。

关于引力波的检测,我也就只能说这么多了。作为一个外行,作为一个读了PRL文章的外行,作为一个懂得一些激光光谱学测量的外行,我也就只能说这么多了。

好了,就到这里吧。

 

 

Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger

B.P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)

Phys. Rev. Lett. 116, 061102 Published 11 February 2016

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102


 

 

引力波事件GW150914的发现经过
http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-958139.html 

 

 

[4]caozexian  2016-2-21 07:57

这篇文章学弟写得大失水准,没有照顾到我们这些不懂引力波也不懂光学测量的人。
为什么激光功率增大了相当于干涉臂长增加了?? 求科普。

 

博主回复(2016-2-21 08:50)

曹老师你想多了、想复杂了

我是简单地把这个干涉仪当成个黑匣子来看待的:
1、光源(激光器)发出很多光子n,每个光子可以认为是独立的(不考虑什么利用压缩态来提高探测灵敏度)
2、干涉仪的两臂对每个光子产生相同的相位差$\phi$,很多因素可以影响这个$\phi$。
3、探测器上测量到的东西正比于$n \phi$。这就是信号或者噪音:想要的东西我们就叫他信号,不想要的东西我们就叫他噪音——其实信号和噪音都是影响因素,只是个说法而已
1-3就是我们熟悉的迈克尔逊干涉仪,LIGO只是个增强版
4、LIGO相当于提供了一个增强因子$A$,现在测量结果正比于$A n \phi$了
5、对于这个$A$,可以有两种解释:可以认为是$A n$,就是激光功率增强了;也可以认为是$A \phi$,相当于干涉臂增长了。但是$A$只能用一次,这只是解释的不同而已。
6、有很多因素会影响这个输出结果,包括光源起伏、地震影响等等,当然也包括广义相对论预言的引力波。引力波算信号,其他都算噪音。
7、所有的结果都体现在波形上:这只是一条随时间变化的测量量而已(一个随时间变化的实数)。
8、对于这个波形(随时间变化的实数),它的每一个小部分(可以按秒来切,也可以按毫秒、微秒、分钟、小时来切断),都可以用振幅、频率、增长率(衰变率)来描述,其实就是傅里叶分析那一套。每一部分都是信号(或噪音,再次强调这只是个说法而已)。
9、LIGO声称,自己知道所有的测量结果的来源。随便哪个波形,他都能分析出这是来自于地震的、还是来自于隔壁王二麻子打喷嚏的、或者是火星人咳嗽的——这些都是噪音。LIGO还预言说在某个波段,引力波可能会造成某种特定波形,其他任何因素都做不到。2015年9月14日,他们看到了这样一个波形,就说这是引力波了。至于说双黑洞融合的那些“直接观测”,不过是反推回去的,什么60个太阳质量、距离地球13亿光年、融合损失了3个太阳质量,都是反推回去的结果。

上面这些话不过是重复了我文章最后的说法而已:
很多人花了很多时间和很多钱,建立了一套非常精密的测量系统,分析了所有目前已知的噪音和信号来源,然后在理论预言的某个频率范围内,看到了一个信号(或者说波形),这个信号不能(至少是暂时不能)用其他机制来解释,只能有双黑洞融合这个机制来解释,所以说他验证了广义相对论关于引力波的预言。

如果换个说法,大概是这样的:
这件事简单地说,就是有几千个人、用了几十年时间、花了几百亿美元,然后拿出来一张图说,这就是我们预期的结果
那么外人能说些什么呢?你说我做的有问题?那么请你拍出几百亿来再说话
这就跟以前赌神片里的showhand一样:你想看我的牌?我all in了,几百亿美元、几千个人、几十年的时间,你跟不跟?你有这么多钱吗、有这么多人吗、有这么多时间吗?
简而言之,你跟得起吗?反正我是跟不起的

所以现在只能是等:现在说什么都还有些太早,最终还是要看将来的、更多的、独立的、观测结果。如果将来观测到了,那就太好了;如果观测不到呢?如果观测不到,那就太遗憾了,太糟糕了。

 



人类首次探测到引力波
http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-957517.html

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