爱因斯坦著名的时空“引力波”预言何时能验证?
如果能建造一台从地球延伸到比邻星的仪器,那么这一效应是可以被明晰测量的。但残酷的现实是,LIGO很可能是我们目前最好的探测工具了。
德国、意大利和日本也建造了几架类似的激光干涉仪来探测引力波,但LIGO是它们中最大的。它有着两条几乎完全一样的激光干涉臂,每条都长4千米。它的一条激光臂从主楼向响尾蛇山伸出,另一条则与其成直角,指向汉福德核设施的退役反应堆。
汉福德LIGO的两条探测臂,在荒原上呈直角排布。
每一条臂都包含一根钢制外壳的真空管,从一束激光中被分出的一半激光被置于远端的镜子来回反射。返回主楼之后,这半束的激光会与在另一条臂中传播的另外半束激光重新汇合。
路经此地的引力波所造成的时空扰动所引起的任何臂长变化,都会改变两个半束激光汇合后所产生的明暗相间的干涉条纹。引力波会在一个方向上挤压空间,同时又在另一个方向上拉伸空间,这使得以直角张开两条探测臂的LIGO探测器灵敏度得以翻倍:当引力波穿过它时,一条干涉臂会先变长再变短,而另一条臂则相反,会先变短再变长。
但是,别忘了这一效应微乎其微的影响。标准的引力波预计只会使LIGO的臂长拉伸或者收缩10-19米,仅相当于质子直径的万分之一。
如果你只在一个地方看到了这么微小的运动,那你永远不也能确定它是引力波信号还是背景噪声,所以就像韦伯的共振棒探测器一样,汉福德的激光干涉仪只是LIGO的两个成员之一。另一架完全相同的干涉仪位于3000千米之外美国路易斯安那州利文斯顿的河口。如果这两个探测器以10个毫秒为间隔(这是引力波在两者间传播所需的时间)先后看到了同样的信号,那你才能说下一步如何如何。
或者,即便如此也还是不行:为了要测量出最微小的变化,任何可能的干扰,哪怕最微小的噪声,都必须被抑制。唯有绝对的寂静才行。
吵闹的噪声
当我抵达汉福德时,正值冬天的第一场寒流来袭。我行驶在240号高速公路上,响尾蛇山在我的左侧若隐若现。沿途流淌着的亚基马河,仍然温暖的表层水正在蒸发和冷凝,看上去就像热气腾腾的温泉。河沿岸的灌木和树木上覆盖着细霜,宛如一幅寂静冬日的风景画。