LIGO的鐳射干涉儀要測量宇宙中最微小的變化,唯有保持絕對的寂靜。任何干擾,哪怕是最微小的噪聲,都必須被抑制。否則永遠不也能確定它是引力波訊號還是背景噪聲。
空氣和大地的振盪都能讓LIGO“失鎖”噪聲。
為了提高探測器的靈敏度,光要沿著干涉臂反射上百次,這樣可以使四千米的臂長等效成四百千米。為了做到這一點,反射鏡必須嚴格保持靜止。
當然,在現實世界中不可能做到絕對靜止。地球內部不斷的地震,颶風、地面機械活動,飛機、火車的經過,宇宙電磁輻射……甚至月球的軌道運動對地表造成的扭曲都會產生噪聲。每過12個小時,月球運動造成LIGO的臂長變化約十分之一個毫米。這個看似微小的量,但與途徑地球的引力波產生的效應相比,卻顯得極為巨大。幸好這個噪聲源至少是可預測的,透過連續調節注入干涉儀的鐳射頻率以及反射鏡之間的距離,可以補償月球潮汐的影響。
LIGO的反射鏡使用一系列複雜的裝置以隔絕來自外界的吵鬧噪聲。
反射鏡用約一毫米的石英玻璃線懸掛起來,以此來儘可能地隔絕來自地面的干擾。此外,疊加起來的葉片彈簧和擺錘則有助於過濾掉高頻噪聲。伺服電機會俯仰、轉動和偏轉這個五噸重的裝置,以抵禦低頻的地面振動。這是從利文斯頓LIGO早期運轉中獲得的深刻教訓,周圍森林中伐木場里正在工作的重型機械發出的低頻聲浪會產生持續且不可預見的噪聲,包括倒下的樹木還產生連續刺耳的噪聲。
麥克和詹姆斯他們的手上有一份長長的刺激性噪聲的清單。
“透過識別這些噪聲,我們能精確地察覺二十公里外的奇蘭機場飛機的起降,那是一種不規則的多普勒頻移聲學噪聲。”麥克說:“每年春季每過幾晚就會有一個神祕的噪聲突然增強然後又慢慢退去,這是附近的水壩釋放冰雪融水而產生的隆隆聲。有時候,噪聲的來源不是來自本地,我們看到過北大西洋海域上的風暴,當這些風暴在西雅圖沿岸登陸時,我們透過噪聲可以準確無誤地看到它們。”
LIGO的超級反射鏡是地球上人造的最精密之物。
鏡子由石英玻璃製成,呈圓盤狀,重四十千克。反射鏡的每一面都經過高度拋光,使之透明。再對其材質進行逐個分子地蝕刻,使表面的曲率精度達到一個矽原子直徑的誤差範圍之內。然後從舊金山空運到法國的工廠,對鏡子的表面進行最終的鍍膜,以此來限制鏡面分子在已知頻率的熱運動。它們一旦振動起來,就會產生像敲擊水晶酒杯一樣的噪聲源。
這些處理好的反射鏡運到引力波觀測站,放入真空管。地球上最大的超高真空腔。在這個約一萬立方米的真空腔中,確保鐳射束在來回反射的過程不會因為有遺留的任何分子而發生偏折。這是真正的真空狀態,空無一物,比宇宙真空更安靜。
但根據量子不確定性原理,從理論上講,永遠也不可能同時精確地測定量子世界中成對出現的兩個屬性。位置和動量就構成了這樣的屬性:對一個量子粒子的位置知道得越精確,對它速度的瞭解就越模糊。能量和時間則是另一對這樣的屬性。這對於LIGO來說非常糟糕,因為精確知道光子打到反射鏡上的時間和能量是探測引力波的關鍵。
奇怪的是,量子不確定性的噪聲不僅僅會擾亂光子,還能影響真空。
真正用來檢測引力波的是兩束鐳射重新匯合並干涉之後形成的明暗條紋。沒有引力波入射的時候,暗紋應該是完全黑暗,但量子不確定性認為:即使在黑暗的真空中也會有光。
“真空”或許可以稱為虛無(nothing)。這是一個非常微妙的概念,基本粒子隨時在虛空中產生、湮滅,宇宙就這樣從虛無中誕生。光子在真空中瞬間出現,又瞬間消失,但這種量子漲落現象對光訊號產生致命的影響,干擾引力波的探測。
幾年前,澳大利亞國立大學的戴維•麥克萊蘭的團隊製造出光壓縮器。“壓縮”一個光子,使不確定性集中到它成對特性中的某一個上面,由此可以幾乎不受噪聲干擾地測量另一個特性。把這種操作運用到真空上,逐漸減少進入壓縮器的光的流量,直至完全消失,壓縮態光場就會在另一端出現。透過將壓縮過的真空注入光子探測器,他們把探測器的固有噪聲降低到了自然水平以下。
這種壓縮真空的技術應用到LIGO的干涉儀上,立刻觀測到量子噪聲的大幅度下降。探測器變得比真空還要寂靜。
人類最終將聆聽到來自宇宙時空的引力私語,時空的漣漪。
“這意味著什麼呢?就好比我們人類之前都是聾的,現在忽然能夠聽到來自宇宙的聲音。它能使我們瞭解宇宙誕生10億億億億分之一秒時的樣子,那個時刻已經離大爆炸很近了。這是一個世紀以來,人類對物質、能量以及時空基本概念間最深層關係的最艱苦卓絕的探究。”
麥克說:“我可不想錯過引力波這場科學盛筵。但遺憾的是,由於地球噪聲的存在,在地面上我們只能探測高頻的引力波,要想探測低頻引力波,必須得遠離地球,向太空進發。世界上的科學家們都在為之努力,傳聞中國人在籌備實施‘天音計劃’,準備發射衛星到距離地球150萬千米的拉格朗日L1點,釋放三個探測器繞太陽公轉,組成鐳射干涉太空引力波天線陣列,形成一個以鐳射束相連的邊長為300萬千米的巨大三角形……”
莉蓮聽得頭暈,不得不打斷麥克冗長乏味的科普,問:“引力波有什麼用途?它能像電磁波一樣改變我們的世界嗎?例如電磁爐。”
“電磁爐”的舉例讓麥克不禁失笑,“現在還只是起步研究階段,我們尚不能確定引力波在未來的實際用途。這是基礎理論研究,就像牛頓發現萬有引力定律那樣對人類科學的發展至關重要,具有深遠的影響。”
隨後,麥克做了個更具體的補充:“從理論上說,我們預測引力波的用途可能是:太空中超長距離的通訊,對時空的研究,對空間變化的應用,例如空間扭曲、翹曲,空間區域性壓縮和擴張,甚至可以延伸到‘利用空間壓縮實現超光速推進技術’。這些科技的前景都可以展望。”
“聽起來很科幻,像是星際迷航。”
“對於我,閱讀真實的宇宙,比看任何科幻都有意思。引力波還具有很強的穿透能力,因此我們可以透過它,直接觀測大量物質參與的大毀滅事件, 看到超新星的爆炸、中子星的相撞,看到黑洞的形成、黑鏡的視界、宇宙大爆炸的餘燼等。我們甚至不知道將來還會看到什麼更驚奇的事,透過引力波,我們也許還能發現宇宙中隱藏更多的不為人知的祕密資訊。”
“外星人發來的資訊?”莉蓮抓住她能理解的點饒有興趣地問。
“也有這種可能。”麥克沒反駁她,風趣說:“詹姆斯和我打賭,他堅持認為,人類首次發現地外智慧生命的資訊絕對是我們的引力波觀測站,在三十年內。為此,我可能要輸給你們一張純手工木餐桌。”
“好啊!那我希望外星人的資訊早點出現。”莉蓮微笑說:“我可不想等到我和詹姆斯老了才用上餐桌。”
“實際上我們差點成功了,四年前探測到一組非同尋常的宇宙資訊。”麥克說:“我記得,那是2004年9月的一天清晨,我們收到可能來自宇宙遙遠時空的引力波訊號。大家激動了一陣,但挺遺憾,那次只能算疑似,訊號短促,未能準確識別。要知道那時LIGO還沒做技術升級,而且後來也沒再收到類似的訊號,最終只能判定為失鎖噪聲。不知道下次機會將發生在什麼時候?”