图源：Frontiers for Young Minds
导读：
2017年2月11日，美国科学家宣布通过激光干涉引力波天文台（LIGO），人类首次直接探测到了引力波。这一时空中的涟漪，第一次被人类所捕捉，加深了人们对于宇宙的理解。
正如诺贝尔物理学奖得主Kip Thorne所说，引力波最令人兴奋的地方在于，它们能让我们了解空间和时间的本质，了解黑洞和其他完全或部分由扭曲时空构成的现象的特性和行为，甚至了解我们宇宙的起源。
本文原文首次刊登在 Frontiers for Young Minds。
Kip Stephen Thorne| 撰文
Idan Segev | 编辑
赵金瑜| 翻译
自我的科研生涯开启以来，引力波这种以光速传播的时空涟漪就令我着迷。最初，我只是想了解这个概念，但当我意识到在实验上是有可能探测到引力波后，我便彻底沉迷其中。随后，我投身于引力波探测器的设计和建造事业。在经过数十年的努力后，我们终于在2015年首次成功探测到引力波。在本文中，我将为你介绍引力波探测器LIGO的发展历程，我和学生们如何改进它，以及未来引力波探测器将如何革新我们对宇宙的认知。
基普·索恩（Kip S. Thorne）教授因在LIGO探测器（The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）研发和引力波探测方面做出的决定性贡献，与雷纳·韦斯（Rainer Weiss）教授和巴里·巴里什（Barry Barish）教授一起荣获2017年诺贝尔物理学奖。图源：© Nobel Media AB/A.Mahmoud
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LIGO的诞生
引力波是时空结构中的扰动。当宇宙中发生极端天文事件时，比如两个黑洞相撞，就会在空间本身产生“涟漪”，这些涟漪会以光速向宇宙中传播。在我的研究生涯刚起步时，我就对引力波非常着迷了。早在20世纪60年代中期，我就开始研究引力波理论及其起源。起初，我的目标是理解引力波是如何产生的，以及这种辐射过程是如何影响其源头的。随后，在1969年，我的同事约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）宣布他可能探测到了引力波。虽然几年后证实这并非真正的引力波信号，但这激发了我思考：是否存在一种有望成功的引力波探测方法？如果成功了，我们又能从中学到什么？
图1：引力波艺术插图。两个运动的大质量天体（如黑洞）周围的空间“涟漪”。
最令我兴奋的是创建一个新的科学领域——引力波天文学的机会。这将为我们提供一个观测宇宙的新“窗口”，有可能彻底改变我们对宇宙运行机制的认知。通过探测引力波，我们可以研究许多此前无法或难以充分研究的现象，包括黑洞特性、超新星爆发和宇宙起源。
1972年，我的另一位同事雷纳·韦斯（Rainer Weiss）提出了一种基于激光测量的引力波探测新方法。起初我持怀疑态度，但经过三年的讨论和研究，我确信这种方法可行。作为一名理论物理学家，我决定投入余生帮助韦斯和其他实验物理学家来实现这一目标。根据我们对引力波预期特性的认知，我们估计需要大约20年的时间来突破技术和科学难关，建造出成功的探测装置。最终，我们花了约40年时间建造激光干涉引力波天文台（LIGO），并在2015年首次探测到引力波——这一切都是值得的。
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LIGO的工作原理
LIGO探测器包含一束激光，这束激光射向一个称为分束器的部件。分束器将激光分成两条垂直的光路，这就是探测器的“臂”。臂中的镜子使光束来回反射数百次。两个臂的光束通过输入镜泄漏出来，然后在分束器中产生干涉，最终在光子探测器中形成输出光信号。LIGO的测量原理即为：当引力波经过时，会交替挤压一个臂并延长另一个臂，导致输出光束的强度上下波动（参见下面的模拟视频）。为了测量引力波，我们必须能够探测到探测器臂长的极微小变化。实际上，对于LIGO能探测到的最强引力波，我们需要测量的变化量比臂长本身小1021倍。LIGO的臂长为4公里，这意味着我们必须能够探测到约4×10-18米的变化——这比原子核还要小1000倍！
图2：LIGO干涉仪中的真空涨落示意图。当我和学生们研究LIGO时，我们发现了多个影响探测器测量的噪声源。其中一个噪声源是由我的学生Carlton Caves发现的，这就是我们称之为真空涨落的电磁场波动。你可以将其想象成“反向”进入探测器并叠加在探测器两个臂中激光束上的干扰，导致一个臂中的光束强度上升而另一个臂中的光束强度下降，反之亦然。
在我和学生们为LIGO所做的研究中，很大一部分工作是预测和解决探测灵敏度的问题。我们主要关注“噪声”——即探测器中各个部分（如镜面涂层、悬挂镜子的线缆以及探测器光束中的光子）引起的测量误差，并想方设法降低这些噪声。一个重要的噪声来源是镜子的涂层，这个问题直到我的学生尤里·莱文（Yuri Levin）发现才引起LIGO科学家们的重视。当一束光照在普通镜子的表面时，一部分光被反射回来，而另一部分则会发生透射。为了使得反射光的量最大化，获得最强的信号，实验人员在LIGO的镜子上涂覆了两种不同介电材料的交替薄层。每个薄层的厚度必须是入射激光波长的1/4。为了使LIGO的测量尽可能精确，我们希望每个臂中的光束来回反射的时间要达到我们所能探测到的最长周期引力波的半个周期，这意味着需要几百次反射（让光束被困的更久并不会带来任何好处）为了实现数百次反射，我们使用了十多层涂层。
我的学生莱文发现，在室温下，这些涂层的振动会产生严重的热噪声——这让实验人员大为吃惊。虽然涂层振动的幅度看起来极其微小——在10-15米量级，但考虑到我们要测量镜子位置变化在10-18米的量级时，这种振动就显得相当巨大了。莱文率先发明了一种非常巧妙的新方法来计算探测器各个部分产生了多少热噪声（包括镜面涂层、悬挂镜子的线缆、固态镜子本身的熔融石英等）。莱文的工作为其他科学家研究其他热噪声的来源铺平了道路——其中一些噪声源，比如镜面涂层噪声，LIGO的科学家们此前完全没有意识到。
我的另一位学生卡尔顿·凯夫斯（Carlton Caves），则彻底改变了我们对LIGO探测器中量子噪声的认识。（相关阅读：）量子噪声来自于宇宙中普遍存在的、无法消除的、最基本的随机涨落。在凯夫斯着手之前，我们知道LIGO中存在两种量子噪声：第一种是光子到达光子探测器时的随机涨落；第二种是光子从镜子反射时引起的镜子位置随机涨落。有趣的是，这两种噪声必须源自LIGO两个臂中光子行为的差异（否则，这些噪声会相互抵消，探测器就无法探测到）。我们一直无法理解是什么导致了这种光子行为的差异，直到凯夫斯找出了答案。凯夫斯意识到，这两种噪声的来源是一种叫做“真空涨落”的现象（图2），这是当所有其他物质都被移除后，仍然存在的固有的电磁场涨落，即“真空”中的涨落（译者注：真空并不绝对“空”，受限于不确定性原理，真空中存在零点能，充满了量子涨落）。令人惊讶的是，这些产生噪声的真空涨落是“反向”进入我们的系统的，即是从光子探测器进入LIGO的臂中的。它们在两个臂中以相反的方式叠加在激光光束上：当一个臂中的总光强上升时，另一个臂中的光强下降。这就是LIGO中奇特量子噪声的成因。为了降低这种量子噪声，凯夫斯设计了一种精妙的被称为“真空压缩”的方法。这种方法已经成为一种全新技术——量子精密测量的基础，如今在LIGO中发挥着重要作用。
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引力波探测器的未来
在我们的LIGO项目工作中，我们需要不断应对各种挑战。我们在推进过程中不断学习，同时持续改进探测器。我们最初的LIGO探测器在2010年达到了性能巅峰——足以探测到距地球约5000万光年范围内中子星的螺旋式合并——但我们没有发现任何引力波的迹象。2008年，我们开始研发下一代LIGO探测器，称为“先进LIGO”。作为一项重大改进，LIGO的同事们改变了镜子的悬挂方式，从而减少了地球振动对探测器的影响，同时也减少了线缆本身的热噪声 （图3A） 。他们还采用了更好的镜面涂层，在产生更少的热噪声的同时，兼具更好的反射率。到2015年9月，这些改进和许多其他优化措施充分降低了噪声，使得高级探测器的探测距离比最初的探测器远5倍 （因此可以观测到的宇宙体积是2010年时的5 3 =125倍） 。这让我们实现了首次精彩的引力波发现。此后的进一步改进，包括凯夫斯开发的基于压缩的量子精密测量技术，使LIGO从2015年的每6周观测到一次黑洞碰撞事件，提升到2023年的每3天观测到一次。我估计到2020年代末，这个频率将达到每天数次。这将比2015年的观测频率提高大约100倍！
图3：升级版LIGO和其他探测器。(A) (i) 在我们最初的LIGO系统中，镜子是作为单摆从钢丝上悬挂的。(ii) 在先进LIGO中，镜子是通过石英纤维连接到四个不同的摆锤上悬挂的。这显著降低了来自地球振动的噪声。(B) 一种类似的探测器KAGRA于2023年5月在日本开始运行。KAGRA位于地下200米处，其镜子被冷却到-250℃从而减少热噪声。(C) LISA是欧洲航天局计划的未来太空探测器，计划于2030年代后期投入使用。
另一个名为“印度LIGO”的项目于2016年获批，预计将在2030年全面投入运营。在印度设立的这第三个LIGO站点将提升我们定位引力波源头的能力。通过分析引力波到达各个探测器 （分布在美国和印度的三个LIGO、意大利的VIRGO和日本的KAGRA） 的时间差，我们可以推断出深空中波源的具体位置。
VIRGO探测器 （最初是意大利和法国的合作项目，现在荷兰、波兰、匈牙利和西班牙也加入合作） 于2003年建成。它在2017年启动观测，并在2017年8月与LIGO一起发现了首例双中子星碰撞。日本的KAGRA （图3B） 始建于2010年，位于地下，其镜子被冷却到-250℃从而减少热噪声。它于2023年5月25日实现首次成功观测。LIGO、VIRGO和KAGRA的臂长都是3或4公里，它们能够测量相似频率范围 （约10-1000 Hz） 的引力波。目前有两个更大的地基引力波探测器建造计划，它们将能够探测到比LIGO、Virgo和KAGRA更微弱的引力波。这两个项目分别是爱因斯坦望远镜 （计划在欧洲建造，臂长10公里） 和宇宙探索者 （计划在北美建造，臂长40公里） 。预计它们将在2030年代后期投入使用。
另一种不同类型的引力波探测器计划于2030年代后期在太空中运行。这个项目称为LISA，将由欧洲航天局建造和运营 （图3C） 。LISA计划的臂长极其惊人：250万公里！这一特点加上它远离我们嘈杂的地球，将使它能够测量频率更低的引力波，范围从约0.1mHz-1Hz （1 mHz=0.001Hz） 。类似的太空探测项目还包括中国计划的“天琴”和“太极”，它们与LISA一样计划在2030年代投入运营。
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通过引力波研究宇宙
引力波最令人兴奋的地方在于，它们能让我们了解空间和时间的本质，了解黑洞和其他完全或部分由扭曲时空构成的现象 （“我们宇宙的扭曲面”） 的特性和行为，甚至了解我们宇宙的起源。
对我个人来说，最引人入胜的问题之一是：我们宇宙大爆炸诞生的细节是什么？支配大爆炸的、目前尚未完全理解的量子引力定律又是什么？量子物理学表明，某些引力波——至少是引力真空涨落——源自大爆炸，并携带着关于其细节的信息。我们物理学家相当确信，这些原初波 （或涨落） 在宇宙早期经历了一次极其快速的“膨胀”扩张而被大幅放大，从而产生了足够强的引力波，可以在未来几十年被两种不同类型的探测器探测到：LISA的后续项目，以及宇宙微波的偏振测量。我很乐观地认为，这两种方式都将成功探测到原初引力波，而这些观测将在确定大爆炸细节和量子引力定律方面发挥重要作用——尽管这可能要等到21世纪中叶才能实现。这可能会开启我们理解宇宙的崭新革命。
文章最后，我想分享我 4 岁时从祖父那里得到的建议：如果你长大后从事的工作感觉像是在玩耍，那么你可能会获得巨大的成功。因为如果工作像玩耍一样有趣，你就会全身心投入，这种愉悦的付出终将带来回报。我听从了他的建议，选择了物理学作为我的职业。对我来说，物理学就像是玩耍，我从中获得了巨大的乐趣，也取得了一些成功。因此，我给你们的建议是：试着找一份既对你有意义，又能让你真正热爱的事业，这份热爱将给你前进的力量，最终通向真正的成功。
术语表
噪声：由探测器中各种元件的波动引起的测量误差，如镜面涂层、悬挂镜子的线缆，以及探测器光束中的光子等。
热噪声：热导致的物质波动（微小运动）。
量子噪声：源于量子理论对一切事物施加的随机、无法消除的波动而产生的噪声。
黑洞：一个由扭曲的时空构成的天体，其引力非常强，任何穿过其表面（视界）的物质都无法逃逸出来。
作者简介
基普·索恩，美籍理论物理学家。他在加州理工学院（位于美国加利福尼亚州）获得物理学学士学位，并在普林斯顿大学（位于美国新泽西州）获得博士学位。1967年，索恩回到加州理工学院担任副教授，并在1970年成为理论物理学教授。他在加州理工学院一直工作到2009年退休，此后开始投身于写作和制作大银幕电影的事业。从职业生涯伊始，索恩就致力于研究引力波理论。他是激光干涉引力波天文台（LIGO）项目的创始人之一，该项目于2015年首次成功探测到引力波。在索恩的职业生涯中，他获得了许多奖项，包括阿尔伯特·爱因斯坦奖章（2009年）、基础物理学特别突破奖（2016年）、格鲁伯宇宙学奖（2016年）、邵逸夫奖（2016年）和诺贝尔物理学奖（2017年）。在学术界之外，索恩还担任了科幻电影《星际穿越》的执行制片人和科学顾问。他最近还与艺术家莉娅·哈洛兰（Lia Halloran）合作出版了一本诗歌和绘画集，名为《宇宙的扭曲面》（The Warped Side of our Universe）。
本文英文版在线发表时间：2024年12月16日，赛先生获权翻译转载。
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