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科学网引力波探测:成绩“不行能之任务”的工

在科学中,特别是物理学中,有这样一种工作。它的重大意义非常清楚,谁都知道要是做出来了诺贝尔奖肯定跑不了。但这工作又非常难做,所以只有少数人会把整个职业生涯贡献给这样的梦想。引力波探测就是这样一个工作。2016211日关于首次探测到引力波事件的发布会不仅在物理学界,而且在整个社会上引起了轰动。一年多后,诺贝尔奖就如约而至。2017年的诺贝尔物理奖发给了三位美国科学家:麻省理工教授韦斯(Rainer Weiss),加州理工教授巴里式(Barry Barish),以及加州理工教授索恩(Kip Thorne),表彰他们在探测引力波工作中的领导作用。

引力波是广义相对论中的一个推论。广义相对论是物理中一个相当艰深的题目,一般物理学博士生都很少涉及。但是引力波的概念对公众并不陌生。在引力波被成功探测而且得到诺贝尔奖之后,更是有大量科普文章介绍其中有趣的物理。

但是有一个比较少讨论到的问题是:为什么引力波的概念早就为人所知,它的本尊却直到现在才露面?事实上,爱因斯坦在发表广义相对论之后就预言了引力波。但他却认为那是不可能被探测到的。这是因为引力波是如此之弱,探测引力波的困难程度难以想象。所以这三位科学家代表的工作不仅在科学上有着重大意义,也是人类历史上值得一书的一个伟大的工程技术成就。本文就着重在工程技术方面介绍一下这个工作的挑战和神奇。

说到引力波,我们自然会想到另一个在真空中传播的波:电磁波。1865年,麦克斯韦基于他所提出的电磁学方程而预言了电磁波。22年后,在1887年,赫兹就首次用实验证实了电磁波的存在。赫兹的实验装置很简单(见 )。一个手工开关(I)造成一个电脉冲,经过变压器T升压后,在火花隙S上产生一个电磁波。这个电磁波传播到房间另一端的环形天线接收器,在那里的火花隙M上产生一个肉眼可见的火花弧。

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:赫兹的电磁波验证试验(复制自:https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=65941520

 


然而引力波远不是这么容易搞定。首先,引力要比电磁力弱得多。必须有非常大的质量才能产生有探测意义的引力波。这就表示引力波几乎不可能在实验室中产生,而必须从太空中超大质量的天体那里来。第二,电磁波归根结底是带电粒子(这里是电子)振荡产生的。引力波也是由物质的振荡产生。而天体要如此振荡需要超出想象的驱动力。物理学家认为最有希望的一种场景,就是两个大质量的天体(例如黑洞)相互绕行进行加速运动,产生引力波。但在这种情况下,两个天体产生的一阶引力波效应(技术上称为偶极子辐射)是相互抵消的,我们能看到的只是更弱的二阶效应(四极子辐射)。第三,天体虽然质量巨大,但离我们却很遥远。引力波和电磁波一样,其强度是与距离平方成反比的。所以我们就面临这样的困局:越是强大的引力波源在宇宙中越是稀少,因此它们与地球的平均距离也就越远。所以即使宇宙中存在着很强大的产生机制,也不意味着我们能收到强大的引力波。(诺贝尔宣传材料)

因此,探测引力波需要的仪器远远超过了赫兹用的环形天线。在爱因斯坦提出预言后近半个世纪的上世纪六十年代,美国教授韦伯(Joseph Weber)开始了寻找引力波的实验。韦伯的实验是用一根很重的铝棒,检测其尺寸的变化来探测引力波引起的共振现象。1969年,韦伯宣称探测到了引力波。但是他的结果没有能得到其它观测的证实。后来就只有韦伯自己仍然带领一些同事和学生继续和改善他们的探测实验。韦伯甚至在美国政府80年代停止资助他的实验后,自费继续研究,直到他2000年去世。虽然韦伯的铝棒实验方法没有被别人采用,但他作为引力波探测的先驱仍然被人们铭记。2016年宣布引力波探测结果的新闻发布会上,韦伯的太太被邀请为贵宾在前排就座。马里兰大学在2019年建立了韦伯纪念花园纪念韦伯对引力波探测的贡献。韦伯用过的六根铝棒被作为雕塑在花园里展现( )。

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