北京時(shí)間9月3日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在美國(guó)路易斯安那州的LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）附近，汽車一旦進(jìn)入方圓2.4公里之內(nèi)，就要以每小時(shí)16公里的限速行駛。這是因?yàn)長(zhǎng)IGO天文臺(tái)中裝有一臺(tái)巨大的精密設(shè)備，哪怕再微小的振動(dòng)都能被它捕捉到。
▲位于美國(guó)路易斯安那州的LIGO探測(cè)器。為準(zhǔn)確捕捉細(xì)微的引力波擾動(dòng)，該探測(cè)器的干涉臂長(zhǎng)達(dá)4公里。
因此，在LIGO天文臺(tái)工作的科學(xué)家們必須盡最大可能排除所有可能的噪音源，包括降低探測(cè)器附近的車速、監(jiān)測(cè)地面的細(xì)微振動(dòng)、甚至用特殊的鐘擺系統(tǒng)將設(shè)備懸掛在空中、從而將振動(dòng)降到最低等等。科學(xué)家殫精竭慮，都是為了在地球上打造一個(gè)振動(dòng)最小、“最安靜”的場(chǎng)所。
為何LIGO的物理學(xué)家們?nèi)绱藞?zhí)著于排除噪音和減少振動(dòng)呢？要理解這一點(diǎn)，首先要明白引力波究竟是什么、以及LIGO是如何探測(cè)引力波的。
根據(jù)廣義相對(duì)論，空間與時(shí)間都是同一連續(xù)體的一部分，這個(gè)連續(xù)體就是所謂的“時(shí)空”。在時(shí)空中，迅速加速的大型物體可以產(chǎn)生引力波，就像石頭扔進(jìn)湖中時(shí)產(chǎn)生的一圈圈向外擴(kuò)散的漣漪一樣，這些引力波便體現(xiàn)了宇宙紋理的拉伸與收縮。
要測(cè)量這種時(shí)空變化，就要用到一種名叫“干涉儀”的儀器，它的原理如下：當(dāng)引力波朝一個(gè)方向拉伸時(shí)空時(shí)，也會(huì)使時(shí)空在垂直方向上發(fā)生收縮，假如水中有一枚浮標(biāo)，當(dāng)一道水波經(jīng)過(guò)時(shí)，浮標(biāo)就會(huì)隨之上下浮動(dòng)，而當(dāng)引力波穿過(guò)地球時(shí)，地球上的所有物體也會(huì)像這枚浮標(biāo)一樣輕輕震蕩，只不過(guò)是前后振動(dòng)，而非上下振動(dòng)。
LIGO探測(cè)器由一個(gè)激光光源、一臺(tái)分光器、幾面鏡子和一臺(tái)光探測(cè)器構(gòu)成。光束離開(kāi)激光器后，被分光器分為相互垂直的兩束光，然后分別沿著兩條干涉臂運(yùn)動(dòng)一段相等的距離，被干涉臂末端的鏡子反射回來(lái)，再擊中光探測(cè)器。當(dāng)一道引力波穿過(guò)干涉儀時(shí)，其中一條干涉臂便會(huì)稍微拉長(zhǎng)、另一條則會(huì)稍微縮短，因?yàn)槿缜懊嫠f(shuō)，引力波會(huì)在一個(gè)方向上拉伸時(shí)空、同時(shí)在垂直方向上壓縮時(shí)空。這種變化極其微小，卻可以通過(guò)擊中光探測(cè)器的光線反映出來(lái)。LIGO的探測(cè)敏感度有多高呢？相當(dāng)于在測(cè)量從地球到最近的恒星之間的距離（約4.2光年）時(shí)，誤差不超過(guò)人類頭發(fā)的直徑。
為達(dá)到如此驚人的敏感度，科學(xué)家必須盡可能排除任何可能對(duì)這條精密設(shè)備造成干擾的因素。首先，這兩條4公里長(zhǎng)的干涉臂是地球上最完美的真空環(huán)境，內(nèi)部幾乎沒(méi)有一個(gè)分子，因此沒(méi)有任何東西會(huì)影響光束的行進(jìn)路線。探測(cè)器周圍還裝滿了各式各樣的監(jiān)測(cè)設(shè)備，如地震儀、磁力計(jì)、麥克風(fēng)和伽馬射線探測(cè)器等等，以便及時(shí)查明并清除數(shù)據(jù)中存在的干擾。
科學(xué)家必須及時(shí)找出任何可能對(duì)信號(hào)造成干擾、或可能被錯(cuò)誤地解讀為引力波信號(hào)的影響因素，并將其排除。這些因素包括探測(cè)器的自身缺陷（既所謂的噪音），或者并非由天體物理產(chǎn)生、但可能被儀器檢測(cè)到的干擾信號(hào)。物理學(xué)家甚至還要考慮構(gòu)成探測(cè)器鏡面的原子的振動(dòng)、以及電子元件中電流的偶然波動(dòng)。而從更大的尺度而言，大到一列從附近經(jīng)過(guò)的貨運(yùn)火車、小到一只喝水的烏鴉，都可能造成干擾。
而這些干擾可以說(shuō)極為棘手。有一段時(shí)間，測(cè)量引力波探測(cè)器周圍地面運(yùn)動(dòng)情況的儀器總能探測(cè)到一個(gè)數(shù)據(jù)尖峰，并且始終找不到原因。一直到幾個(gè)月之后，科學(xué)家才找到了問(wèn)題的根源：一塊石頭卡在了一套通風(fēng)系統(tǒng)的彈簧和地面中間，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的振動(dòng)情況無(wú)法被反映到探測(cè)器那里。可見(jiàn)在探測(cè)來(lái)自遙遠(yuǎn)宇宙的微小振動(dòng)時(shí)，具體還要取決于地球上的實(shí)際情況。
最重要的是，人類已經(jīng)打造了三臺(tái)引力波探測(cè)器。除了位于美國(guó)路易斯安那州和華盛頓州的兩臺(tái)探測(cè)器之外，還有一臺(tái)位于意大利。因此，假如真是因?yàn)樨涍\(yùn)火車或一塊小石頭導(dǎo)致的干擾，也只會(huì)顯示在其中一臺(tái)探測(cè)器的信號(hào)中。
利用這些高端工具和精密算法，科學(xué)家們便能計(jì)算出某個(gè)信號(hào)的確為引力波信號(hào)的概率。在探測(cè)到某個(gè)信號(hào)時(shí)，甚至還能算出該信號(hào)為“假警報(bào)”的可能性。例如，前兩個(gè)月探測(cè)到的一個(gè)信號(hào)的“假警報(bào)率”低至20萬(wàn)年一遇，說(shuō)明它是引力波信號(hào)的可能性極高。當(dāng)然，我們還要等到最終裁定結(jié)果出爐，才能百分之百地確定這一點(diǎn)。
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