【博科園-科學(xué)科普】2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予Rainer Weiss、Barry Barish和Kip Thorne，以表彰他們對引力波天文學(xué)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。

當(dāng)然真正的贏家是LIGO，它在過去40多年的時(shí)間里由1000多人組成，隨著他們的實(shí)驗(yàn)裝置越來越先進(jìn)發(fā)達(dá)而變得更加敏感，能夠探測到時(shí)空中逐漸變小的漣漪。2015年所有這些努力都達(dá)到了第一次直接探測到引力波的頂峰，這是由于兩個(gè)巨大的黑洞合并而產(chǎn)生的，大約13億光年之遙。這兩個(gè)LIGO天文臺(tái)以一種令人難以置信的方式完成了這一過程，探測到一種將整個(gè)地球壓縮到小于原子大小的波。

當(dāng)引力波穿過地球時(shí)有一個(gè)令人難以置信的數(shù)量，可以從探測到的信號中知道到它到干涉儀臂上有什么現(xiàn)象原因：

1、膨脹的尺寸會(huì)使探測器臂加長

2、而垂直維度將收縮，導(dǎo)致另一個(gè)檢測器臂縮短

3、隨著波的振幅和周期與受激勵(lì)質(zhì)量的質(zhì)量和周期相對應(yīng)

4、由宇宙擴(kuò)張史決定的適當(dāng)拉伸/紅移

5、我可以通過接收信號的大小來確定轉(zhuǎn)化為能量的質(zhì)量

這一信息的提取方法是通過構(gòu)成干涉儀的兩個(gè)垂直激光臂的相對運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)光沿著這條長路徑傳播照到鏡子時(shí)并反射回來，光在旅程上花費(fèi)的時(shí)間取決于路徑長度。微小的變化，即使是比單個(gè)原子還小的變化也會(huì)影響到飛行時(shí)間。經(jīng)過一千次左右的反射后，每個(gè)垂直手臂的光被重新組合在一起，形成一個(gè)特定的干涉模式。如果光處于相位則會(huì)得到100%的建設(shè)性干擾；如果光處于非相位就會(huì)得到100%的破壞性干擾。這是模式的變化隨著時(shí)間的推移，從噪聲中提取出來，這使我們能夠精確地重建出什么類型的引力波信號通過干涉儀了。

事情是這樣的：就像LIGO本身一樣偉大，有兩個(gè)探測器在地球上的位置（距離）并不遙遠(yuǎn)。探測器可能以45度角向彼此傾斜，但它們在地球上大致相同，因?yàn)長ousiana到華盛頓的距離并不遙遠(yuǎn)。波的到達(dá)時(shí)間相差很小，科學(xué)家可以確認(rèn)它們以光速運(yùn)動(dòng)，但不能在天空中很好地確定信號的位置。而不能很好地測量位置的事實(shí)意味著幾乎沒有機(jī)會(huì)采取下一個(gè)偉大的步驟：將發(fā)光的天空與引力波天空聯(lián)系起來。

但這就是下一個(gè)重大飛躍的問題所在。

今年早些時(shí)候意大利的室女探測器加入了兩個(gè)LIGO探測器已經(jīng)開始運(yùn)行了。是3 / 4的LIGO大小，它對引力波并不十分敏感，但隨著未來的改良它的靈敏度會(huì)提高，就像LIGO探測器一樣。但是室處女座與LIGO陣列相比較的一大優(yōu)點(diǎn)是三重檢測能提供確定位置的信息。試想一下一個(gè)引力波（如下圖所示）穿過地球，但請記住當(dāng)你想象這個(gè)的時(shí)候，室女座探測器離孿生LIGO探測器有多遠(yuǎn)。

空間可能在兩個(gè)垂直方向上收縮和膨脹，但是探測器的響應(yīng)量取決于波的方向。通過在地球的另一個(gè)地方添加第三個(gè)探測器，科學(xué)家們可以確定波從何而來，也可以測量它的偏振。通過測量探測儀中波的到達(dá)距離之間的時(shí)間檢測差異，可以更好地直接控制重力的速度，使之完全等于光速。但最好的進(jìn)步來自于能夠找到波產(chǎn)生的宇宙點(diǎn)。這是與已經(jīng)存在的兩個(gè)探測器同時(shí)使用第三個(gè)探測器的最大進(jìn)展。

當(dāng)一個(gè)引力波信號到達(dá)時(shí)可以測量武器的收縮和膨脹。波浪的振幅和頻率允許確定許多關(guān)于合并的性質(zhì)，但不是在天空中發(fā)生的。基本上它可以讓科學(xué)家在探測器周圍繪制一個(gè)薄的球形外殼，并描繪出波的來源發(fā)生在這個(gè)范圍的某個(gè)地方。有了第二個(gè)探測器就會(huì)得到關(guān)于波的傳播方向的信息以及第二個(gè)薄薄的球體；在這兩個(gè)球體重疊的地方(通常沿一個(gè)寬的圓)回到波的方向，使能形成一個(gè)類似弧的約束。但是第三個(gè)探測器在增加第三個(gè)球體時(shí)，一般來說是在另外兩個(gè)的平面上只需得到一個(gè)單點(diǎn)就能確定其位置。

在接下來的幾年里又有兩個(gè)探測器將建造完成——日本的KAGRA和印度的另一個(gè)LIGO探測器，這意味著我們在未來將會(huì)進(jìn)行更精確的測量。現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)直接看到了四個(gè)引力波事件，在識(shí)別它們的位置上變得越來越快，這意味著可以更快地執(zhí)行光學(xué)和其他電磁跟蹤。如果我們開始將中子星與引力波探測器結(jié)合起來就會(huì)預(yù)期它們會(huì)有一個(gè)明顯的信號。

現(xiàn)在已經(jīng)開始探索引力波天文學(xué)的時(shí)代，人類不僅僅是在以全新的方式看待天空，而是越來越善于看到它，學(xué)習(xí)探索解析我們看到東西。由于這些事件是短暫的，只存在很短的時(shí)間，現(xiàn)在只有一個(gè)機(jī)會(huì)來看待這些黑洞合并。但是隨著時(shí)間的推移，未來探測器不斷改進(jìn)將繼續(xù)看到我們從未有過的宇宙。諾貝爾獎(jiǎng)可能已經(jīng)完成了研究，但真正的引力波天文學(xué)的成果仍然存在于巨大的宇宙森林之中。多虧了100多年愛因斯坦等科學(xué)家奠定的基礎(chǔ)，現(xiàn)在只不過是第一次采摘季節(jié)！