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在大多数人的印象里,干涉仪是一种狭义上耳熟能详的光学面形检测装置,如果从广义上去理解,这是一种用途极为广泛的科学仪器,从麦克尔逊利用光干涉实验发现光速恒定不变开始,大型的干涉仪依然在验证最前沿物理概念方面发挥作用,这就是本文即将提到的巨大的干涉仪们,他们将被用作重力波检测(gravitional wave)。
1.起源:按照科学泰斗爱因斯坦的广义相对论(general relativity),空间和质量并非相互独立,质量的存在会扭曲空间,因此当空间质量在不断变化时,就会产生重力波并向广阔的宇宙传播,双子脉冲星就是极好的例子。
2.重力波验证原理。当重力波通过空间时,会引起长度的变化,如果利用干涉仪且其两臂长度足够,则可以发现干涉条纹的微小移动,根据爱因斯坦的理论,经过精心设计可以获得所需证明数据。实际中是通过让光多次反射来减少干涉两臂长度。
3.难度很大。可见实验验证基本道理很简单,但不幸的是,宇宙的尺度如此之大,以致于地球比沧海一粟还要渺小,需要说明的是,重力波的扰动大约在10E-21量级,大家可以估算下,产生0.1波长可观测条纹是难度如何大。因此在地球上进行这样的实验,很难确保获得数据不被环境噪声淹没,如震动,镜面散射,激光纯度,空气扰动等。以Virgo为例,看看这些问题方案如何解决。首先看看其庞大的身躯:
为减少空气扰动干涉条纹,巨大的真空系统不能少,其内部布置了光阑,减震悬挂,真空度1e-4Pa以上(这么多东西,真空度不容易高啊):
极其精密的减震装置:
净化激光
超高精度的反射镜,包括超光滑加工,超高精度面形,一致性极高的反射膜层等。
高性能噪声滤波电子探测系统。
4.世界各地的巨大干涉仪们,尽管难度极高,但相对论重力波的验证确实吸引人,世界各地建造了多台重力检测装置。
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GMT+8, 2024-12-19 18:35
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