宇宙漣漪

宇宙漣漪：宇宙在其大爆炸之初必定有一種微小的起伏，就像平靜湖面上的微小漣漪。宇宙的這種微小“漣漪”，反映了宇宙大爆炸之初的微小不規則。正是因為有了這種不規則，宇宙才能演化成為現在這樣的豐富結構。而這種不規則在量子引力理論框架內被解釋成早期宇宙的一種量子起伏。

基本介紹

• 中文名：宇宙漣漪
• 性質：早期宇宙的一種量子起伏
• 發現：20世界60年代
• 內容：宇宙結構

專家探尋

簡介

科學家正準備用一個新的觀測站搜尋宇宙間最激烈的事件產生的時空漣漪。但是，儘管這個項目的代價高昂，探測器很可能什麼也探測不到。Geoff Brumfiel 找到了其中的原因。

在路易斯安那州中部泥濘的漫灘上，兩個4公里長的混凝土管道在一個龐大的林場上劃出了一個L型。在管道內部，雷射在鏡面之間反射。它們構成了一個如此靈敏的測量裝置，以至於它能夠探測到駛來的車輛的隆隆聲、以及附近附近樹木倒地產生的震動。

但是當夜幕降臨、伐木停止之後，一個更偉大的探測計畫的準備工作仍在繼續。到今年年底，路易斯安那探測器將能夠尋找引力波——由黑洞碰撞和恆星爆發產生的微弱的時空漣漪。探測到這些漣漪將為愛因斯坦的相對論提供新的檢驗，同時也成為探尋宇宙中不可見部分的一種方法。

黑洞與中子星相碰撞釋放出引力波，這是一個計算機模擬圖 但是存在一個大問題。轟然倒地的樹木和過路的卡車——更不用說微小的地震——將影響到探測器最終的研製。並且，由於理論物理學家並不知道引力波的樣子，沒有人能準確知道到底能發現什麼。這個計畫——雷射干涉儀引力波觀測站（LIGO）——的領導者承認，路易斯安那州的探測儀，以及它在華盛頓州漢福德（Hanford）的夥伴，最初可能什麼也探測不到。但是，倘若這些探測器需要花費2.96億美元，一些研究者懷疑它們有沒有建成的可能。

路易斯安那州的LIGO 自從90年前引力波的理論被提出以來，沒有人曾經直接探測到它。儘管物理學家認為引力波的確存在。阿爾伯特·愛因斯坦於1916年發表的的廣義相對論理論預言說，在旋轉系統中的大質量物體能夠產生時空的漣漪（見附錄《廣義相對論入門》）。愛因斯坦認識到，引力波能夠拉伸或者壓縮它們穿過的任何物體，但是認為沒有人能夠檢測到它們。例如，一個典型的引力波穿過地球，將會把這個行星拉長10-16米。麻省理工學院（MIT）的物理學家Rainer Weiss說：“愛因斯坦認為探測它們實在太困難了。”

直接探測引力波的機會是如此誘人，因為它能夠確認愛因斯坦的理論預言。但是更深次的動機在於了解產生最強大引力波的極端事件。“那是一個迥然不同的世界，”Weiss說。“如果你在一個黑洞附近，時空是如此的扭曲，以至於直線甚至不會延伸很遠。附近的時鐘快慢不同，沒有什麼還與原來一樣。”並且，由於在這些天體的周圍經常環繞著塵埃和殘骸，很多人認為研究他們的唯一方法就是藉助於某些形狀的黑洞釋放的引力波。

探測引力波

探測引力波的嘗試最早可以追溯到20世紀60年代。馬里蘭大學的物理學家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）建造了第一個探測器。它包括一個2米長、1.5米直徑的鋁棒。韋伯預計，如果一個路過的引力波引起了它的長度的瞬時伸縮，鋁棒將會像被錘子敲了一下那樣鳴響。

約瑟夫·韋伯（Joseph Weber） 在20世紀60年代末，韋伯宣布他探測到引力波幾乎同時穿過了馬里蘭州和芝加哥的探測器，從而震驚了物理界。那個引力波看起來改變了鋁棒一億分之一毫米的長度。但是懷疑者指出，只有相當大一部分的銀河系質量才能產生這么強的引力波。Weiss說：“如果你實際計算一下他所聲稱發現的，那么銀河系（的質量）在100萬年就會消耗殆盡。”時光流逝，現在人們已經很清楚，韋伯的統計結果存在著缺陷。

但是韋伯的“發現”吸引了很多年輕物理學家的想像。Tony Tyson回憶說：“我被它迷住了。”Tyson是新澤西Murray Hill貝爾實驗室的物理學家，當時是芝加哥大學的研究生。20世紀70年代中期，Tyson建造了一個更大的探測器，世界各地的其他研究組也有類似的探測器。儘管沒有成功地發現任何引力波，人們對於這個領域的興趣不斷增長，這要部分的感謝引力波存在的第一個間接證據。

1974年，麻薩諸塞大學的物理學家Russell Hulse 和 Joseph Taylor是用射電望遠鏡觀測一對相互繞行的中子星。Hulse和Taylor意識到它們可能發出引力波，因此會慢慢損失能量，越靠越近。他們觀測了這對中子星4年，於1978年宣布它們的軌道嚴格按照愛因斯坦的理論改變。這個發現——至今仍然是引力波最好的觀測證據——讓Hulse和Taylor獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

同心探索

現在這場競賽要建造一個能直接探測引力波的裝置。加州理工學院的理論天體物理學家Kip Thorne說：“我們知道，如果成功，它在科學上的收益將是巨大的。”Thorne和加州理工學院的同事希望能夠得到這套裝置，在20世紀70年代末，他們招募了英國格拉斯哥大學的實驗物理學家Ronald Drever來幫助他們設計新型的探測器。

Drever有建造被稱作麥可遜干涉儀的L型裝置的經驗。入射的雷射在L型拐角處分成兩束，每一束光到達L型臂的末端，然後被鏡面反射回中心。當光束再度匯集時，他們會在光敏探測器上產生一個帶有暗斑的干涉圖樣。如果引力波或者其他干擾改變了臂的長度，在探測器處的光強度就會改變。通過研究光強度的改變，研究者就能確定光路的上的變化。干涉儀並不一定比韋伯的鋁棒更靈敏，但是它們能夠探測更寬頻帶的引力波。

Weiss加入了加州理工學院的研究小組。Weiss曾經獨立研究干涉儀探測器。1985年，他們向國家科學基金會（NSF）遞交了LIGO計畫的建議，要求建造一對干涉儀。他們認為這些探測器能夠探測雷射光路上大約10-19米的擾動。建造這個裝置需要數以百萬計美元。然而，從一開始，研究者完全不能確定他們是否能探測到什麼東西。

籠罩著LIGO的科學不確定性曾經，並且現在仍然是雙重的。一方面，理論家不能預言他們希望LIGO能探測到的引力波的波長和頻率，這引起了對於探測器最佳設計的爭議。並且沒有人知道引力波到達地球的經常性是多少。例如，假如黑洞碰撞的情況很罕見，或許幾個世紀才能檢測到一個這樣的事件。

還存在著技術上的問題。使用韋伯鋁棒的研究者遇到了經常震動他們實驗室的微震的影響。震動造成了一個重大的問題，它們的頻率——在0到100Hz之間——與理論所預計的引力波出現最豐富的頻帶接近。

設計方案

為了避免這些困難，NSF建議，如果最初的設計不能發現引力波，那么計畫應該具有升級的潛力。Weiss說：“我們被NSF多次告知：不要建成一錘子買賣的項目。”

這個項目計畫在不同地點建造兩套足夠能容納高功率雷射、抗震光學系統和數套干涉儀的實驗室。使用兩個探測器能夠對於可能的發現做雙重檢驗。

第一個干涉儀將使用通用器材建造。它們主要的功能將是檢驗實驗所必需的精密電子和計算機系統。研究小組隨後將安裝更加精密的第二代干涉儀。

1989年，NSF正式資助這個項目。Frederick Bernthal說：“LIGO值得欣慰之處在於，你不會總是遇到花大錢的項目。”Bernthal在LIGO計畫編制的後期任NSF的副主任。“即使你從沒見過引力波，建造LIGO所需的最先進技術也會給人留下非常深刻的印象。”

政治說服力

LIGO小組現在要讓國會相信，這個項目值得投資。加州理工的物理學家Robbie Vogt曾經是LIGO的主任，他進行了長達一年遊說活動。他的一次演講引起了Bob Livingston和Bennett Johnson的注意。他們當時分別是路易斯安那州的眾議員和參議員。他們被這個計畫打動，並且希望藉助於最新的科學——以及相關的工作——繁榮他們州的經濟。

NSF幫助選擇了路易斯安那州Livingston這一比較合適的地點。那時，沒有人想到樹木倒下造成的影響。漢福德的探測器不必另外選址，政府擁有的土地曾經用於製造核武器。

儘管得到了NSF的批准，一些科學家仍然擔心計畫的花費。許多人曾經，並且現在仍然不願意公開批評者這個由名牌大學和政府資助的項目。但是有些人當時道出了他們的擔憂。“作為一個物理學家我對於這個實驗非常著迷。並且希望看到它有足夠的資金，”1991年3月，Tyson對眾議院科學委員會說，“但是不能忽視數百名獨立調查者的意見。”作為它證詞的一部分，Tyson提交了一分60多個物理學家和天文學家的評論意見，所有人都表達了對於這個項目的懷疑。但是LIGO項目已經啟動，並且有路易斯安那州政治家的支持。國會於1991年秋批准了這個項目。

隨著政治鬥爭的勝利，研究者在過去的10年中設計和建造了兩座觀測站。它們都已經為尋找引力波做好了準備。但是最初的數據不會引人注目——立即探測到引力波的可能性仍然很小。

Barry Barish是加州理工的高能物理學家、LIGO的現任主任。他說，不管你期望LIGO發現什麼，它都依賴於你選擇的引力波產生模型。“並且現在有很多理論，”他補充說。自從LIGO計畫首次被提出以來，對於可探測事件的頻率和強度的估計不斷下降。“他們最初對於可能的（引力波）源的數量估計過分樂觀了，”新澤西普林斯頓大學的理論天體物理學家Jerry Ostriker說。Ostriker長期以來是LIGO的批評者，他認為根據今天（對於引力波）的估計，即使是未來的龐大的探測器找到任何引力波的可能性都很小。

廣義相對論入門

阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論理論把引力描述成四維時空的扭曲。很難把它形象化，但是一個二維的模擬有助於弄清這個問題。

橡皮膜上的漣漪

想像一張橡皮膜中間有一個保齡球。球就是一顆行星，它所造成的橡皮膜的變形相當於一個真實的行星扭曲時空的方式。在橡皮膜上運動的物體將會像保齡球方向滾落，正如引力會把一顆過路的彗星拉向地球。在愛因斯坦的理論中，地球吸引物體是因為它扭曲了附近的時空，正如保齡球扭曲了橡皮膜。

現在想像兩個相互繞行的保齡球。它們將會引起橡皮膜上的漣漪，相當於兩個相互繞行的恆星產生的引力波。通過研究這種漣漪，觀察者就能知道恆星的運動。

技術難題

技術上的困難仍然存在。實驗室的主體結構完成於兩年之前。但是在2001年，在漢福德的異常6.8級地震震壞了反射鏡和其他光學系統，計畫被延遲了3個月。然而，最困難的問題在於，當一個噪聲源被清除之後，另外一個又冒出來了。Livingston地區的伐木作業持續到晚上和周末。即使是現在，LIGO也必須把諸如“固體潮”——每隔12小時由於月球引力造成的地核運動——這樣的現象考慮在內。

這些效應能夠被電子設備控制的反射鏡所校正，從而過濾掉假信號。但是每一次研究者過濾掉一個信號，他們必須確認沒有被上一次的調整所干擾。LIGO在Livingston觀測站的主任Mark Coles解釋說，這有點像從靜電噪聲中找到一個微弱的無線電信號。他補充說：“這有幾分單調乏味。”

一些研究者懷疑噪聲是否最終能降低到能讓引力波被探測到的程度。“存在一個大問題：還有多少沒有被濾除的噪聲？”Tyson說。兩個觀測站的數據採集原計畫於今年夏天開始，現在已經被推遲到今年年底。

但是LIGO的研究者仍然充滿信心。 “如果我們一開始就能探測到什麼，這不必驚奇，” Barish說，“但是如果10年之內還無所作為那么我就要被震驚了。”經過3年的運行，研究者計畫申請資金更新LIGO。例如，他們希望增加更強大的雷射器，並改進防震裝置。

但是無論結果如何，LIGO將會推進引力波探測領域的研究。自從這個計畫被批准之後，類似的計畫也在德國、義大利、澳大利亞和日本開展。它們其中的一個——室女座（Virgo），在義大利比薩的附近——將會繼LIGO之後在2003年出現，並且有與LIGO類似的靈敏度。對於這些計畫是否能夠克服諸如LIGO所面臨的地震噪音問題的爭論仍然存在，但是如果有一個以上的裝置探測到了引力波，他們就能共享數據從而查明引力波的來源。

德國的GEO600 一個空間引力波探測器的計畫也在制定中。歐洲和美國的物理學家正在設計一個在類似地球環繞太陽運行軌道上的干涉儀。它被稱作雷射干涉儀空間天線（LISA），由排成三角形的三顆衛星組成，衛星之間相距5百萬公里。LISA有類似於LIGO的靈敏度，但是更容易捕捉到難以捕捉的低頻信號，它可能被地震信號淹沒掉。如資金能夠得到保證，LISA的工作將會於幾年內開始，衛星計畫在這個十年末發射升空。

像LISA和LIGO這樣的計畫不僅僅是一個探測器——它也促成了一個研究者共同體。在美國，這個巨大的實驗裝置成為了整個國家30個研究機構數百名引力波研究者的核心。“我們有研究下一代探測器的實驗者。我們有對數據感興趣的理論家，”Weiss說。“並且他們沒有我這么老。那是最大的變化。”

太空測量宇宙

1月13日外刊訊息，美國天文學家經過大量的觀測和研究，表示發現了一個用某種“宇宙標尺”測量宇宙的方法。

天文學家此前猜測，這些原始漣漪之間的距離可能與星系在宇宙中的分布方式有關，但對此推測並無把握。現在兩者之間的關係更加清晰，因此兩波漣漪之間的空間就可以用作一種測量宇宙的工具。

兩組來自美國、英國和澳大利亞的研究人員分別進行偵測，以確定兩層宇宙漣漪之間的距離與星系分布方式之間的關係。他們發現，各星系的形成位置傾向於相隔約5億光年，恰好與利用早期宇宙中的聲波漣漪所預測的結果吻合。