一路走好 | LIGO的早期發起人之一:德雷弗3月7日去世

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2017年3月7日,激光干涉引力波天文台(LIGO)早期發起人之一,英國物理學家羅納德•德雷弗(Ronald Drever)去世,享年85歲。祝他一路走好。

LIGO有三位重要的早期發起人,分別是加州理工大學的基普•索恩(Kip Thorne)和麻省理工學院的雷納•韋斯(Rainer Weiss)和羅納德•德雷弗(Ronald Drever)。

2016年2月11日23點半,美國國家科學基金會於華盛頓特區的國家媒體中心就激光干涉引力波觀測站(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; LIGO)對引力波的探測召開發布會。發布會上宣布,2015年9月14日,LIGO的兩個引力波探測器幾乎同時探測到一個短暫的引力波信號,相對強度是1e-21,頻率覆蓋35到250赫茲。根據探測的信號,科學家表示發出該引力波的源是13億光年(光度距離)之外的兩個黑洞的碰撞並合。這是人類第一次直接探測到引力波(GW150914),也是人類第一次探測到雙黑洞的並合,是對愛因斯坦廣義相對論的又一偉大見證。

4個多月之後,當地時間2016年6月15日,在聖地亞哥舉行的天文學會第228屆年會上,aLIGO科學合作組織和歐洲VIRGO科學合作組織宣布,aLIGO於2015年12月26日再次探測到了引力波,本次引力波事件稱為GW151226,對應的置信度達5.3倍標準差,超過了5倍標準差,表明它是一次真實的引力波事件,與GW150914相比,是由兩個更小的黑洞並合產生的引力波。會上專家們還發布了一個疑似引力波事件LVT151012,置信度隻有約1.7倍標準差。

自從LIGO成功發現引力波之後,三位重要的發起人共享了很多獎項,包括突破獎、科維理物理學獎。很多人都在說,他們將來一定會獲得諾貝爾獎。可惜,還未等到那個時刻,德雷拉已經告別人世。

但我相信,德雷拉其實也是幸福的,因為他見證了自己曾努力過的LIGO終於探測到了引力波。雖然在LIGO探測到引力波時,德雷拉已經患上老年癡呆。讓人感到安慰的是,索恩說,2016年9月份,在科維理獎的頒獎慶典結束後,我去探訪了德雷拉,他還記得我們一起在LIGO工作的那些年,也為LIGO成功探測到引力波而高興。

2016年12月4日,LIGO團隊代表出席接受科學突破獎特別獎。從左至右,分別是基普•索恩、雷納•韋斯(Rainer Weiss)和羅納德•德雷弗的家人。圖片來源:網絡

1969年,雷納•韋斯提出了以激光干涉方法來探測引力波。1978年,基普•索恩說服加州理工學院建設一個40米長的原型干涉儀。1979年至1987年,在羅納德•德雷弗的主管下,40米原型干涉儀得以建成。

1989年,他們開始向美國自然科學基金會申請建設一個更大的激光干涉引力波觀測站LIGO。盡管耗資巨大,而引力波是否能被探測到還不確定,NSF還是3年後批複了他們的申請。1995年開建,1999年建成啟用。真正的LIGO觀測始於2002年,結束於2010年。然後開始了LIGO的升級。2015年9月18日,升級後的LIGO(aLIGO)重新開機運行。而在aLIGO工程運行時,它探測到了引力波事件GW150914,隨後還探測了更多次的引力波事件。

引力波在理論上被提出之後,科學團體有啥反應呢?在隨後數十年,不少科學家不相信引力波的存在,認為隻是理論上的預言。

2016年2月11日的發布會上,雷納·韋斯說到,即使引力波是真實的,在那個時代探測到它也是不可能的。原因有兩個:那麼時候全世界科學家都還不知道宇宙的強引力波源——黑洞和中子星,唯一知道的最可能的引力波源是一對相互繞轉的恒星,但是計算顯示它們的信號太弱無法被探測到。其次,那時候技術也達不到要求。

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韋伯棒

到1950年時,理論學家們發現了中子星和黑洞,他們最終一致同意引力波應該是存在的。說到這里,不得不提的第一個嚐螃蟹的人——約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)。早在上個世紀50年代,韋伯第一個充滿遠見地認識到,探測引力波並不是沒有可能。

韋伯在二戰期間是位海軍上校,1948年他加入馬里蘭大學成為工程學教授,那時他還沒有博士畢業。1951年,他正是拿到他的博士學位,博士論文標題是《化學動力學上的微波技術》(Microwave Technique in Chemical Kinetics)。所以1948至1951年期間,他既是一位教授,又是一位正在學習微波光譜學的博士研究生。

在他博士期間,他提出了相干微波發射的想法,並於1952年講了第一個有關激光(laser)和微波激射(maser)原理的公眾報告。他對廣義相對論的興趣使得他充分利用了1955-1956年期間的休假時間,向美國著名物理學家約翰·惠勒(John Archibald Wheeler,他是“黑洞”和“蟲洞”的命名者,基普·索恩就是他的學生)學習引力輻射。要知道,引力波的存在與否那時還並未被廣泛接受。韋伯學習之後,幾乎是第一個認識到,探測引力波並不是無可能。有思想便有行動,他也是第一個嚐試去探測引力波的人。

為眾人所知,韋伯提出了的一個方案——用共振棒探測器來探測引力波。實際上,從他的筆記本可知,他當時還提出了利用激光干涉來探測引力波。

60年代,他開始設計建設引力波探測方案。韋伯設計的共振棒探測器由兩根長2米、直徑1米的圓柱形鋁棒組成。

韋伯和他設計的共振棒探測器。圖片來自:馬里蘭大學。

韋伯認為,當引力波傳來時,鋁棒的兩端會交錯地被擠壓和拉伸,當傳來的引力波頻率和棒的共振頻率一致時,棒會發生共振,微弱的引力波信號將會被放大到可被探測到的水平,棒的變化可以通過安裝在棒周圍的壓電式傳感器(piezoelectric sensors)探測到。這些鋁棒的共振頻率是1660赫茲。基於這樣的原理,韋伯期望通過探測棒的共振,來探測頻率約1660赫茲的引力波。

1969年,韋伯在PRL發表文章,宣稱他的設備探測到了引力波,由於這個頻率與中子星繞轉或超新星爆炸產生的引力波頻率相當,他推測引力波可能來源於我們銀河系中心。但是其他的實驗小組並未能重複出韋伯發表的結果,對他所得到的“探測”表示質疑。

同時期,有些物理學家認識到了共振棒探測器的局限性,對於同一個探測器,相應的鋁棒長度隻對應了一種共振頻率,原則上只能對應這一頻率的引力波信號,無法探測其它頻率的引力波。由於引力波強度很低,最強的引力波相對強度僅約1e-21,那麼2米長的鋁棒在長度上的變化量僅有2e-21米,如此微弱的變化能否在技術上被探測和識別出來,顯然當時的技術還無法解決問題。

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韋伯的發現以及他的數據處理細節遭到了其他科學家的質疑。盡管如此,我們今天銘記韋伯,感謝他當年的決心、堅持和努力,感謝他的工作吸引更多的科學家進入引力波探測的隊伍。索恩在2月11日的發布會後接受記者采訪時,評論韋伯確實是引力波領域的創立之父(the founding father of this field)。

激光干涉方法

1962年,俄羅斯的Gertsenshtein M E和Pustovoit V I.提出用激光干涉方法探測引力波。如果一個物體受到引力波的影響,那麼它將在一個方向上被壓縮,而在另一個垂直的方向上被拉伸。目前最先進的引力波地面探測器均呈L型,利用激光干涉技術,通過研究激光束的干涉條紋,來探索兩臂相對長度是否受引力波影響而變化。

在1969年,當時作為激光專家的韋斯被指派去教授廣義相對論。“那時我完全不知道韋伯的實驗”,他說。而且,因為他不懂韋伯的方法,所以他發展了自己的光學方法和識別相關的噪聲源的方法,提出了使用激光干涉方法來探測引力波。他提出該方法時,還不知道7年前的俄羅斯科學家的工作。

韋斯的方法發表在1972年麻省理工的內部期刊上,一開始並未引起同行的注意。當加州理工學院的索恩讀到這篇文章時,他認為這種方法是不可能探測到引力波的,他還將他的懷疑寫進了他與其他人合作編寫的《引力》教材中。

但是當1978年索恩重新思考這個想法時,他發現這個方法是可行的。他促成說服了加州理工學院建設一個40米長的原型干涉儀,進行預研究。美國國家科學基金會也支持了該項目。1979年-1987年,該項目主管便是羅納德•德雷弗。

德雷弗和原型干涉儀。圖片來源:網絡

1989年開始針對激光干涉引力波觀測站LIGO,向美國國家科學基金會申請獲取支持,1992年終獲批複,1995年開建,1999年啟用。在發布會上,NSF主任說,“1992年批準LIGO最初的基金項目是NSF有史以來最大的一筆投資”,“那是一項有很高風險的資助,但這正是NSF需要承擔的項目。我們資助一定會有所發現,但是還在探索曆程上的基礎科學和工程。我們資助開路先鋒。這就是為什麼美國依然是全球先進知識的領導者的原因。”

真正的LIGO觀測始於2002年,結束於2010年。在頻率為100Hz處,LIGO的靈敏度已經達到1e-21,相當於LIGO能分辨出一根長4千米的臂極其微小的長度變化(10-18米,比電子尺寸1e-15米還要小近千倍)。理論上,LIGO可以看到的引力波現象包括:距離我們幾十萬光年之外的兩顆中子星繞轉靠近直至並合過程所發出的引力波,超新星爆炸或伽馬射線暴產生的爆發式引力波等。但曆時9年LIGO並沒有直接探測到引力波。2015年9月18日,升級後的LIGO(advanced LIGO,後簡稱aLIGO)重新開機運行,靈敏度提高至原來的10倍多。

以上介紹中,可以看到有3位重要的人士:雷納•韋斯,激光干涉探測引力波方法的提出者;基普•索恩,說服建立40米激光原型干涉儀的科學家;羅納德•德雷弗,40米原型干涉儀的項目主管。當然LIGO探測到引力波,貢獻者遠非他們3人,而是由來自16個國家的上千人構成的研究團組。

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