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第18章 时空涟漪(2)

LIGO的激光干涉仪要测量宇宙中最微小的变化,唯有保持绝对的寂静。任何干扰,哪怕是最微小的噪声,都必须被抑制。否则永远不也能确定它是引力波信号还是背景噪声。

空气和大地的振荡都能让LIGO“失锁”噪声。

为了提高探测器的灵敏度,光要沿着干涉臂反射上百次,这样可以使四千米的臂长等效成四百千米。为了做到这一点,反射镜必须严格保持静止。

当然,在现实世界中不可能做到绝对静止。地球内部不断的地震,飓风、地面机械活动,飞机、火车的经过,宇宙电磁辐射……甚至月球的轨道运动对地表造成的扭曲都会产生噪声。每过12个小时,月球运动造成LIGO的臂长变化约十分之一个毫米。这个看似微小的量,但与途径地球的引力波产生的效应相比,却显得极为巨大。幸好这个噪声源至少是可预测的,通过连续调节注入干涉仪的激光频率以及反射镜之间的距离,可以补偿月球潮汐的影响。

LIGO的反射镜使用一系列复杂的装置以隔绝来自外界的吵闹噪声。

反射镜用约一毫米的石英玻璃线悬挂起来,以此来尽可能地隔绝来自地面的干扰。此外,叠加起来的叶片弹簧和摆锤则有助于过滤掉高频噪声。伺服电机会俯仰、转动和偏转这个五吨重的装置,以抵御低频的地面振动。这是从利文斯顿LIGO早期运转中获得的深刻教训,周围森林中伐木场里正在工作的重型机械发出的低频声浪会产生持续且不可预见的噪声,包括倒下的树木还产生连续刺耳的噪声。

麦克和詹姆斯他们的手上有一份长长的刺激性噪声的清单。

“通过识别这些噪声,我们能精确地察觉二十公里外的奇兰机场飞机的起降,那是一种不规则的多普勒频移声学噪声。”麦克说:“每年春季每过几晚就会有一个神秘的噪声突然增强然后又慢慢退去,这是附近的水坝释放冰雪融水而产生的隆隆声。有时候,噪声的来源不是来自本地,我们看到过北大西洋海域上的风暴,当这些风暴在西雅图沿岸登陆时,我们通过噪声可以准确无误地看到它们。”

LIGO的超级反射镜是地球上人造的最精密之物。

镜子由石英玻璃制成,呈圆盘状,重四十千克。反射镜的每一面都经过高度抛光,使之透明。再对其材质进行逐个分子地蚀刻,使表面的曲率精度达到一个硅原子直径的误差范围之内。然后从旧金山空运到法国的工厂,对镜子的表面进行最终的镀膜,以此来限制镜面分子在已知频率的热运动。它们一旦振动起来,就会产生像敲击水晶酒杯一样的噪声源。

这些处理好的反射镜运到引力波观测站,放入真空管。地球上最大的超高真空腔。在这个约一万立方米的真空腔中,确保激光束在来回反射的过程不会因为有遗留的任何分子而发生偏折。这是真正的真空状态,空无一物,比宇宙真空更安静。

但根据量子不确定性原理,从理论上讲,永远也不可能同时精确地测定量子世界中成对出现的两个属性。位置和动量就构成了这样的属性:对一个量子粒子的位置知道得越精确,对它速度的了解就越模糊。能量和时间则是另一对这样的属性。这对于LIGO来说非常糟糕,因为精确知道光子打到反射镜上的时间和能量是探测引力波的关键。

奇怪的是,量子不确定性的噪声不仅仅会扰乱光子,还能影响真空。

真正用来检测引力波的是两束激光重新汇合并干涉之后形成的明暗条纹。没有引力波入射的时候,暗纹应该是完全黑暗,但量子不确定性认为:即使在黑暗的真空中也会有光。

“真空”或许可以称为虚无(nothing)。这是一个非常微妙的概念,基本粒子随时在虚空中产生、湮灭,宇宙就这样从虚无中诞生。光子在真空中瞬间出现,又瞬间消失,但这种量子涨落现象对光信号产生致命的影响,干扰引力波的探测。

几年前,澳大利亚国立大学的戴维?麦克莱兰的团队制造出光压缩器。“压缩”一个光子,使不确定性集中到它成对特性中的某一个上面,由此可以几乎不受噪声干扰地测量另一个特性。把这种操作运用到真空上,逐渐减少进入压缩器的光的流量,直至完全消失,压缩态光场就会在另一端出现。通过将压缩过的真空注入光子探测器,他们把探测器的固有噪声降低到了自然水平以下。

这种压缩真空的技术应用到LIGO的干涉仪上,立刻观测到量子噪声的大幅度下降。探测器变得比真空还要寂静。

人类最终将聆听到来自宇宙时空的引力私语,时空的涟漪。

“这意味着什么呢?就好比我们人类之前都是聋的,现在忽然能够听到来自宇宙的声音。它能使我们了解宇宙诞生10亿亿亿亿分之一秒时的样子,那个时刻已经离大爆炸很近了。这是一个世纪以来,人类对物质、能量以及时空基本概念间最深层关系的最艰苦卓绝的探究。”

麦克说:“我可不想错过引力波这场科学盛筵。但遗憾的是,由于地球噪声的存在,在地面上我们只能探测高频的引力波,要想探测低频引力波,必须得远离地球,向太空进发。世界上的科学家们都在为之努力,传闻中国人在筹备实施‘天音计划’,准备发射卫星到距离地球150万千米的拉格朗日L1点,释放三个探测器绕太阳公转,组成激光干涉太空引力波天线阵列,形成一个以激光束相连的边长为300万千米的巨大三角形……”

莉莲听得头晕,不得不打断麦克冗长乏味的科普,问:“引力波有什么用途?它能像电磁波一样改变我们的世界吗?例如电磁炉。”

“电磁炉”的举例让麦克不禁失笑,“现在还只是起步研究阶段,我们尚不能确定引力波在未来的实际用途。这是基础理论研究,就像牛顿发现万有引力定律那样对人类科学的发展至关重要,具有深远的影响。”

随后,麦克做了个更具体的补充:“从理论上说,我们预测引力波的用途可能是:太空中超长距离的通讯,对时空的研究,对空间变化的应用,例如空间扭曲、翘曲,空间局部压缩和扩张,甚至可以延伸到‘利用空间压缩实现超光速推进技术’。这些科技的前景都可以展望。”

“听起来很科幻,像是星际迷航。”

“对于我,阅读真实的宇宙,比看任何科幻都有意思。引力波还具有很强的穿透能力,因此我们可以通过它,直接观测大量物质参与的大毁灭事件, 看到超新星的爆炸、中子星的相撞,看到黑洞的形成、黑镜的视界、宇宙大爆炸的余烬等。我们甚至不知道将来还会看到什么更惊奇的事,通过引力波,我们也许还能发现宇宙中隐藏更多的不为人知的秘密信息。”

“外星人发来的信息?”莉莲抓住她能理解的点饶有兴趣地问。

“也有这种可能。”麦克没反驳她,风趣说:“詹姆斯和我打赌,他坚持认为,人类首次发现地外智慧生命的信息绝对是我们的引力波观测站,在三十年内。为此,我可能要输给你们一张纯手工木餐桌。”

“好啊!那我希望外星人的信息早点出现。”莉莲微笑说:“我可不想等到我和詹姆斯老了才用上餐桌。”

“实际上我们差点成功了,四年前探测到一组非同寻常的宇宙信息。”麦克说:“我记得,那是2004年9月的一天清晨,我们收到可能来自宇宙遥远时空的引力波信号。大家激动了一阵,但挺遗憾,那次只能算疑似,信号短促,未能准确识别。要知道那时LIGO还没做技术升级,而且后来也没再收到类似的信号,最终只能判定为失锁噪声。不知道下次机会将发生在什么时候?”

“噢,是挺遗憾!我错过了我们的餐桌。”莉莲笑说:“虽然在四年前,我还不认识詹姆斯。”

“探测器很可能突然遭遇引力波‘短脉冲’,估计是两个黑洞互相绕转形成的,可惜消失太快,信号淹没在噪声中。要知道,我们的系统灵敏度非常高,只要有一个从宇宙流浪来的原子碰到我们的镜子,都会引发数据误差产生噪声……”

“啊!”莉莲突然发出短促的呼叫。她感觉到一股撕裂般的疼痛袭来,不由地手捂颤动的腹部。

“怎么了?”麦克关切问。

莉莲皱眉摇摇头。疼痛突然出现,尔后又蓦然消失,她不能确定这意味着什么,是胎动?还是产前的阵痛?

“男孩,还是女孩?”麦克看了看她高隆的腹部。

“女孩。”莉莲抛开不祥的预感,微笑说:“詹姆斯为她取了名字,我们叫她‘特蕾西’,大约还有五周,小天使就要降生……”

话未说完,她的脸色蓦然变了。“啊、啊……”她爆发尖锐的痛呼。疼痛再次袭来,汹涌如潮,她的大叫声很快变调凄厉异常。腹部产生下坠感,在很短的时间内这种坠落感越来越强烈。胎儿在她肚子里蠕动使得子宫壁起伏扭曲,激起她身体深处一阵阵剧痛的涟漪。

莉莲抓紧自己发抖的腿惨叫不止。

麦克紧急靠边停车,查看莉莲的情况,见她脸色惨白,腹部起伏不停。麦克顿时吓得慌忙掏

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