圖源：Frontiers for Young Minds
導讀：
2017年2月11日，美國科學家宣佈透過雷射干涉引力波天文臺（LIGO），
人類首次直接探測到了引力波。這一時空中的漣漪，第一次被人類所捕捉，加深了人們對於宇宙的理解。
正如諾貝爾物理學獎得主Kip Thorne所說，引力波最令人興奮的地方在於，它們能讓我們瞭解空間和時間的本質，瞭解黑洞和其他完全或部分由扭曲時空構成的現象的特性和行為，甚至瞭解我們宇宙的起源。
本文原文首次刊登在 Frontiers for Young Minds。
Kip Stephen Thorne | 撰文
Idan Segev | 編輯
趙金瑜 | 翻譯
自我的科研生涯開啟以來，引力波這種以光速傳播的時空漣漪就令我著迷。最初，我只是想了解這個概念，但當我意識到在實驗上是有可能探測到引力波後，我便徹底沉迷其中。隨後，我投身於引力波探測器的設計和建造事業。在經過數十年的努力後，我們終於在2015年首次成功探測到引力波。在本文中，我將為你介紹引力波探測器LIGO的發展歷程，我和學生們如何改進它，以及未來引力波探測器將如何革新我們對宇宙的認知。
基普·索恩（Kip S. Thorne）教授因在LIGO探測器（The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）研發和引力波探測方面做出的決定性貢獻，與雷納·韋斯（Rainer Weiss）教授和巴里·巴里什（Barry Barish）教授一起榮獲2017年諾貝爾物理學獎。圖源：© Nobel Media AB/A.Mahmoud
引力波是時空結構中的擾動。當宇宙中發生極端天文事件時，比如兩個黑洞相撞，就會在空間本身產生“漣漪”，這些漣漪會以光速向宇宙中傳播。在我的研究生涯剛起步時，我就對引力波非常著迷了。早在20世紀60年代中期，我就開始研究引力波理論及其起源。起初，我的目標是理解引力波是如何產生的，以及這種輻射過程是如何影響其源頭的。隨後，在1969年，我的同事約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）宣佈他可能探測到了引力波。雖然幾年後證實這並非真正的引力波訊號，但這激發了我思考：是否存在一種有望成功的引力波探測方法？如果成功了，我們又能從中學到什麼？
圖1：引力波藝術插圖。兩個運動的大質量天體（如黑洞）周圍的空間“漣漪”。
最令我興奮的是建立一個新的科學領域——引力波天文學的機會。這將為我們提供一個觀測宇宙的新“視窗”，有可能徹底改變我們對宇宙執行機制的認知。透過探測引力波，我們可以研究許多此前無法或難以充分研究的現象，包括黑洞特性、超新星爆發和宇宙起源。
1972年，我的另一位同事雷納·韋斯（Rainer Weiss）提出了一種基於雷射測量的引力波探測新方法。起初我持懷疑態度，但經過三年的討論和研究，我確信這種方法可行。作為一名理論物理學家，我決定投入餘生幫助韋斯和其他實驗物理學家來實現這一目標。根據我們對引力波預期特性的認知，我們估計需要大約20年的時間來突破技術和科學難關，建造出成功的探測裝置。最終，我們花了約40年時間建造雷射干涉引力波天文臺（LIGO），並在2015年首次探測到引力波——這一切都是值得的。
LIGO探測器包含一束雷射，這束雷射射向一個稱為分束器的部件。分束器將雷射分成兩條垂直的光路，這就是探測器的“臂”。臂中的鏡子使光束來回反射數百次。兩個臂的光束透過輸入鏡洩漏出來，然後在分束器中產生干涉，最終在光子探測器中形成輸出光訊號。LIGO的測量原理即為：當引力波經過時，會交替擠壓一個臂並延長另一個臂，導致輸出光束的強度上下波動（參見下面的模擬影片）。為了測量引力波，我們必須能夠探測到探測器臂長的極微小變化。實際上，對於LIGO能探測到的最強引力波，我們需要測量的變化量比臂長本身小1021倍。LIGO的臂長為4公里，這意味著我們必須能夠探測到約4×10–18米的變化——這比原子核還要小1000倍！
圖2：LIGO干涉儀中的真空漲落示意圖。當我和學生們研究LIGO時，我們發現了多個影響探測器測量的噪聲源。其中一個噪聲源是由我的學生Carlton Caves發現的，這就是我們稱之為真空漲落的電磁場波動。你可以將其想象成“反向”進入探測器併疊加在探測器兩個臂中雷射束上的干擾，導致一個臂中的光束強度上升而另一個臂中的光束強度下降，反之亦然。
在我和學生們為LIGO所做的研究中，很大一部分工作是預測和解決探測靈敏度的問題。我們主要關注“噪聲”——即探測器中各個部分（如鏡面塗層、懸掛鏡子的線纜以及探測器光束中的光子）引起的測量誤差，並想方設法降低這些噪聲。一個重要的噪聲來源是鏡子的塗層，這個問題直到我的學生尤里·萊文（Yuri Levin）發現才引起LIGO科學家們的重視。當一束光照在普通鏡子的表面時，一部分光被反射回來，而另一部分則會發生透射。為了使得反射光的量最大化，獲得最強的訊號，實驗人員在LIGO的鏡子上塗覆了兩種不同介電材料的交替薄層。每個薄層的厚度必須是入射雷射波長的1/4。為了使LIGO的測量儘可能精確，我們希望每個臂中的光束來回反射的時間要達到我們所能探測到的最長週期引力波的半個週期，這意味著需要幾百次反射（讓光束被困的更久並不會帶來任何好處）為了實現數百次反射，我們使用了十多層塗層。
我的學生萊文發現，在室溫下，這些塗層的振動會產生嚴重的熱噪聲——這讓實驗人員大為吃驚。雖然塗層振動的幅度看起來極其微小——在10-15米量級，但考慮到我們要測量鏡子位置變化在10-18米的量級時，這種振動就顯得相當巨大了。萊文率先發明瞭一種非常巧妙的新方法來計算探測器各個部分產生了多少熱噪聲（包括鏡面塗層、懸掛鏡子的線纜、固態鏡子本身的熔融石英等）。萊文的工作為其他科學家研究其他熱噪聲的來源鋪平了道路——其中一些噪聲源，比如鏡面塗層噪聲，LIGO的科學家們此前完全沒有意識到。
我的另一位學生卡爾頓·凱夫斯（Carlton Caves），則徹底改變了我們對LIGO探測器中量子噪聲的認識。（相關閱讀：葉軍等三學者因量子精密測量獲2020年度 “墨子量子獎”）量子噪聲來自於宇宙中普遍存在的、無法消除的、最基本的隨機漲落。在凱夫斯著手之前，我們知道LIGO中存在兩種量子噪聲：第一種是光子到達光子探測器時的隨機漲落；第二種是光子從鏡子反射時引起的鏡子位置隨機漲落。有趣的是，這兩種噪聲必須源自LIGO兩個臂中光子行為的差異（否則，這些噪聲會相互抵消，探測器就無法探測到）。我們一直無法理解是什麼導致了這種光子行為的差異，直到凱夫斯找出了答案。凱夫斯意識到，這兩種噪聲的來源是一種叫做“真空漲落”的現象（圖2），這是當所有其他物質都被移除後，仍然存在的固有的電磁場漲落，即“真空”中的漲落（譯者注：真空並不絕對“空”，受限於不確定性原理，真空中存在零點能，充滿了量子漲落）。令人驚訝的是，這些產生噪聲的真空漲落是“反向”進入我們的系統的，即是從光子探測器進入LIGO的臂中的。它們在兩個臂中以相反的方式疊加在雷射光束上：當一個臂中的總光強上升時，另一個臂中的光強下降。這就是LIGO中奇特量子噪聲的成因。為了降低這種量子噪聲，凱夫斯設計了一種精妙的被稱為“真空壓縮”的方法。這種方法已經成為一種全新技術——量子精密測量的基礎，如今在LIGO中發揮著重要作用。
在我們的LIGO專案工作中，我們需要不斷應對各種挑戰。我們在推進過程中不斷學習，同時持續改進探測器。我們最初的LIGO探測器在2010年達到了效能巔峰——足以探測到距地球約5000萬光年範圍內中子星的螺旋式合併——但我們沒有發現任何引力波的跡象。2008年，我們開始研發下一代LIGO探測器，稱為“先進LIGO”。作為一項重大改進，LIGO的同事們改變了鏡子的懸掛方式，從而減少了地球振動對探測器的影響，同時也減少了線纜本身的熱噪聲（圖3A）。他們還採用了更好的鏡面塗層，在產生更少的熱噪聲的同時，兼具更好的反射率。到2015年9月，這些改進和許多其他最佳化措施充分降低了噪聲，使得高階探測器的探測距離比最初的探測器遠5倍（因此可以觀測到的宇宙體積是2010年時的53=125倍）。這讓我們實現了首次精彩的引力波發現。此後的進一步改進，包括凱夫斯開發的基於壓縮的量子精密測量技術，使LIGO從2015年的每6周觀測到一次黑洞碰撞事件，提升到2023年的每3天觀測到一次。我估計到2020年代末，這個頻率將達到每天數次。這將比2015年的觀測頻率提高大約100倍！
圖3：升級版LIGO和其他探測器。(A) (i) 在我們最初的LIGO系統中，鏡子是作為單擺從鋼絲上懸掛的。(ii) 在先進LIGO中，鏡子是透過石英纖維連線到四個不同的擺錘上懸掛的。這顯著降低了來自地球振動的噪聲。(B) 一種類似的探測器KAGRA於2023年5月在日本開始執行。KAGRA位於地下200米處，其鏡子被冷卻到-250℃從而減少熱噪聲。(C) LISA是歐洲航天局計劃的未來太空探測器，計劃於2030年代後期投入使用。
另一個名為“印度LIGO”的專案於2016年獲批，預計將在2030年全面投入運營。在印度設立的這第三個LIGO站點將提升我們定位引力波源頭的能力。透過分析引力波到達各個探測器（分佈在美國和印度的三個LIGO、義大利的VIRGO和日本的KAGRA）的時間差，我們可以推斷出深空中波源的具體位置。
VIRGO探測器（最初是義大利和法國的合作專案，現在荷蘭、波蘭、匈牙利和西班牙也加入合作）於2003年建成。它在2017年啟動觀測，並在2017年8月與LIGO一起發現了首例雙中子星碰撞。日本的KAGRA（圖3B）始建於2010年，位於地下，其鏡子被冷卻到-250℃從而減少熱噪聲。它於2023年5月25日實現首次成功觀測。LIGO、VIRGO和KAGRA的臂長都是3或4公里，它們能夠測量相似頻率範圍（約10-1000 Hz）的引力波。目前有兩個更大的地基引力波探測器建造計劃，它們將能夠探測到比LIGO、Virgo和KAGRA更微弱的引力波。這兩個專案分別是愛因斯坦望遠鏡（計劃在歐洲建造，臂長10公里）和宇宙探索者（計劃在北美建造，臂長40公里）。預計它們將在2030年代後期投入使用。
另一種不同型別的引力波探測器計劃於2030年代後期在太空中執行。這個專案稱為LISA，將由歐洲航天局建造和運營（圖3C）。LISA計劃的臂長極其驚人：250萬公里！這一特點加上它遠離我們嘈雜的地球，將使它能夠測量頻率更低的引力波，範圍從約0.1mHz-1Hz（1 mHz=0.001Hz）。類似的太空探測專案還包括中國計劃的“天琴”和“太極”，它們與LISA一樣計劃在2030年代投入運營。
引力波最令人興奮的地方在於，它們能讓我們瞭解空間和時間的本質，瞭解黑洞和其他完全或部分由扭曲時空構成的現象（“我們宇宙的扭曲面”）的特性和行為，甚至瞭解我們宇宙的起源。
對我個人來說，最引人入勝的問題之一是：我們宇宙大爆炸誕生的細節是什麼？支配大爆炸的、目前尚未完全理解的量子引力定律又是什麼？量子物理學表明，某些引力波——至少是引力真空漲落——源自大爆炸，並攜帶著關於其細節的資訊。我們物理學家相當確信，這些原初波（或漲落）在宇宙早期經歷了一次極其快速的“膨脹”擴張而被大幅放大，從而產生了足夠強的引力波，可以在未來幾十年被兩種不同型別的探測器探測到：LISA的後續專案，以及宇宙微波的偏振測量。我很樂觀地認為，這兩種方式都將成功探測到原初引力波，而這些觀測將在確定大爆炸細節和量子引力定律方面發揮重要作用——儘管這可能要等到21世紀中葉才能實現。這可能會開啟我們理解宇宙的嶄新革命。
文章最後，我想分享我4歲時從祖父那裡得到的建議：如果你長大後從事的工作感覺像是在玩耍，那麼你可能會獲得巨大的成功。因為如果工作像玩耍一樣有趣，你就會全身心投入，這種愉悅的付出終將帶來回報。我聽從了他的建議，選擇了物理學作為我的職業。對我來說，物理學就像是玩耍，我從中獲得了巨大的樂趣，也取得了一些成功。因此，我給你們的建議是：試著找一份既對你有意義，又能讓你真正熱愛的事業，這份熱愛將給你前進的力量，最終通向真正的成功。
術語表
噪聲：由探測器中各種元件的波動引起的測量誤差，如鏡面塗層、懸掛鏡子的線纜，以及探測器光束中的光子等。
熱噪聲：熱導致的物質波動（微小運動）。
量子噪聲：源於量子理論對一切事物施加的隨機、無法消除的波動而產生的噪聲。
黑洞：一個由扭曲的時空構成的天體，其引力非常強，任何穿過其表面（視界）的物質都無法逃逸出來。
作者簡介
基普·索恩，美籍理論物理學家。他在加州理工學院（位於美國加利福尼亞州）獲得物理學學士學位，並在普林斯頓大學（位於美國新澤西州）獲得博士學位。1967年，索恩回到加州理工學院擔任副教授，並在1970年成為理論物理學教授。他在加州理工學院一直工作到2009年退休，此後開始投身於寫作和製作大銀幕電影的事業。從職業生涯伊始，索恩就致力於研究引力波理論。他是雷射干涉引力波天文臺（LIGO）專案的創始人之一，該專案於2015年首次成功探測到引力波。在索恩的職業生涯中，他獲得了許多獎項，包括阿爾伯特·愛因斯坦獎章（2009年）、基礎物理學特別突破獎（2016年）、格魯伯宇宙學獎（2016年）、邵逸夫獎（2016年）和諾貝爾物理學獎（2017年）。在學術界之外，索恩還擔任了科幻電影《星際穿越》的執行製片人和科學顧問。他最近還與藝術家莉婭·哈洛蘭（Lia Halloran）合作出版了一本詩歌和繪畫集，名為《宇宙的扭曲面》（The Warped Side of our Universe）。
本文英文版線上發表時間：2024年12月16日，賽先生獲權翻譯轉載。
原文連結：
https://kids.frontiersin.org/articles/10.3389/frym.2024.1250122?utm_source=wechat_sci&utm_medium=social&utm_content=nobelarticle_V4KST&utm_campaign=frymartpromchn
關於Frontiers for Young Minds
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