探測引力波到底有多難？諾獎得主大讚中國引力波探測項目 | 科技袁人_風聞

導讀

袁嵐峯和諾貝爾獎得主巴里·巴里什對話，解讀引力波。本期為第二期，第一期見：（《引力波有什麼魅力？物理諾獎得主巴里·巴里什獨家解讀 | 科技袁人》）。

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西瓜視頻：

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本視頻發佈於2021年11月3****日，觀看量已超94萬

精彩再現：

袁嵐峯：

我們的節目經常有我跟著名科學家的對話，世界頂尖科學家協會與今日頭條幫我聯繫到了一位諾貝爾獎得主巴里·巴里什(Barry C. Barish)，他和另外兩位科學家雷納·韋斯（Rainer Weiss）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne），因為探測到引力波獲得了2017年的諾貝爾物理學獎，在第四屆世界頂尖科學家論壇即將召開之際，我要和巴里什教授進行一次深入的對談，四年來，引力波科學取得了很多新進展， 但大多數公眾對這個領域仍然感到很神秘。下面，我們就來和巴里什教授連線。

袁嵐峯：

引力波的可觀測效應是什麼，引力波在一個方向上被拉伸，在另一個方向上被壓縮？

巴里·巴里什:

是的。

袁嵐峯：

那麼既然這個效應如此微弱，你們是怎麼探測到的？

巴里·巴里什:

是的，但引力波沒有微弱到精密儀器探測不到的程度。它的確很微弱，但是我們所做的探測大約是1/1000量級，即空間的扭曲度是質子大小的1/1000，所以我們看到我們必須比大型粒子加速器更精確。質子加速器，所以這個扭曲是這樣的，我身後的這個儀器

袁嵐峯：

對

巴里·巴里什:

同時向兩臂發出光，如果時空沒有扭曲，同時你的儀器校準正確，這兩束光會同時返回，因此，如果它們同時返回，我們可以將一個相當於另一個方向 ，它們加起來給出零的結果，但是，如果引力波通過，一隻手臂就會比另一隻長約千分之一質子的大小，同事另一隻手臂會稍微變短，就像站在哈哈鏡前一樣，一隻手臂變得短了一點 ，另一隻變得長了一點，因此，光通過兩臂的時間變得不同了，當它們返回時不再精確地抵消，這就是我們如何做探測，這就是我們的探測思路。為了實現它，需要非常非常精確的儀器，許多技術創新做在儀器裏，但是這是可做的，而且我們可以用它來探測如此微弱的信號，其實在某種程度上，我們現在甚至可以探測更為微弱的信號，這台儀器就像這樣，它基於一台極高功率的激光儀，即這台儀器的名稱LIGO 中的L代表的意思，比較光通過兩側所需時間的儀器，叫做干涉儀（interferometer），因此LIGO中I代表激光干涉儀，G代表引力波(gravitational wave),因為我們正在觀測來自太空的某些東西，我們有一個天文台（observatory），即LIGO中的字母O所代表的含義。上述就是LIGO這個名字的含義 

袁嵐峯：

是的，激光干涉引力波天文台，如此長的一個名字，所以被簡稱為LIGO

巴里·巴里什:

是的，是這樣的

袁嵐峯：

我想這是一種非常常用的測量微小距離變化的方法，對嗎？因為歷史上有很多類似的實驗

巴里·巴里什:

是的，干涉儀並不是我們發明的，它是非常常用的儀器，事實上一個物理系的學生，在大一或大二上實驗課的時候，幾乎肯定要使用干涉儀，他們通過干涉儀看到他們稱之為條紋的東西，條紋是光通過時的波長，或明或暗

袁嵐峯：

是的，我想好奇的人也會問這樣一個問題，既然空間本身已經變化了，那麼為何光會感覺到有任何不同呢，為什麼干涉圖樣會有改變?

巴里·巴里什:

兩隻臂的長短變化，就像當你站在鏡子前一樣，一隻變短了，而另一隻邊長了，然後反覆變化

袁嵐峯：

是的，這實際上是使用普通物理學的語言進行的描述，但當我們使用相對論進行描述時， 空間本身在變化

巴里·巴里什:

是的，因為空間和時間存在曲率，你可以用完全相同的解決辦法，數學是不同的，但是你得到相同的答案，如果你説在有引力波的時候光變得彎曲，而不是直着走，如果它彎曲了，它顯然需要多走一點時間

袁嵐峯：

所以LIGO和普通干涉儀的主要區別在於它精確得多，對吧？

巴里·巴里什:

是的

袁嵐峯：

所以使LIGO具有高精度的主要技術是些什麼？

巴里·巴里什:

使LIGO具有高精度的主要技術之一是蠻力，即做大尺寸，這很昂貴，你可以看到它非常大，一邊有四公里，所以它不適合放在我的小桌子上，它非常大，當然也更昂貴，第二：我們需要很多很多的光，這樣我們才能觀測到微小的效應，因此，我們安裝了一個功率極高並且非常特殊的激光儀。第三：我們不允許光發生任何散射，因為這樣一來，光的移動路徑就會改變，它就不會走它本來應該走的路徑，所以這個巨大的體積就被放在很高的真空中，最後，我們發明了很多光學技術，但我不能在這個簡短的訪談中詳細描述，因為它們非常微妙。

但總的來説，每一個都會給出一些貢獻，因此，如果我們從標準的參數開始，將一個探測精度為光波長1/1000的干涉儀大幅加長，我們可以將精度提高到光波長的100萬分之一，然後，我們可以把它放在真空中，這又給出一個因子，然後一種非常特殊的光學效應，限制它們的不是物理，而是我們的大腦，因此，我們必須發明並嘗試光學技術，使干涉儀運行起來好像更長似的，長得多，而且我們要讓它對鏡子中的雜質和缺陷等等不敏感，最後，我們可以使探測精度達到光波長的10的-12次方，如我前面所説，這就是我們做的。

袁嵐峯：

是的，是的，這是個奇蹟，所以我聽説，你們必須消除所有已知的效應，例如，如果一輛卡車經過，你們應該識別出這是一輛卡車，而不是引力波。

巴里·巴里什:

是的，我們面臨着兩個問題，一是所有煩人的環境問題，例如一輛開過的卡車，一架飛過的飛機，閃電，等等…無論如何，即使我們去一個非常偏遠的地方，也會受到各種自然現象的影響，最後一個問題是，任何像這樣的裝置都放在地面上，儘管我們認為地面非常穩定，但其實不是，地面是在運動的。

袁嵐峯：

所以你們把它懸浮了起來。

巴里·巴里什:

是的，因此我們必須有一種非常特殊的方法，使儀器與地面的任何運動相隔絕，因此，我們的儀器基本上漂浮在地面上方，我們使用兩種技術來做到這一點，一種技術基本上與使你能夠平穩行駛汽車的技術相同，當你開車的時候，假如你遇到一個上坡，一輛老式的汽車，人類剛發明汽車時的那種，那麼汽車就會上下顛簸，但是現在，當你上下坡時，汽車的運行時非常平穩的，這是由減震器實現的，減震器是一個大彈簧，能夠吸收震波。

袁嵐峯：

它叫做減震器（shock absorber）對嗎？你説什麼，減震器？

巴里·巴里什:

是的，是減震器。

袁嵐峯：

好的。

巴里·巴里什:

就是安裝在你汽車下方，讓它能平穩行駛的東西。所以我們做出了世界上最複雜的減震器，比汽車上使用的減震器好上許多。我們做了四層減震器，這樣一來，如果地面發生震動，並且震波穿過了第一層，那麼震波還必須穿過第二層，它獨立於第一層以及第三層和第四層，但這樣做仍然不夠，所以我們不能只用減震器，來使儀器與地面足夠好地隔離，所以我們添加了第二種技術，這種技術或許就是你所熟悉的，當你坐飛機的時候，你的耳機裏可能就有這種技術，它能夠讓環境變得非常安靜，能夠探測發動機發出的噪音，飛機發動機發車的環境噪音，它抵消這些噪音，上述都是環境噪音，它們都可以被抵消。

但當空姐來問你是否要喝杯茶時，你能聽得清清楚楚，因為這不是環境噪音，而是真實的信號，於是我們在這組減震器中，添加了地震計，以及測量任何殘餘的波動，然後主動推動，這兩種技術的組合，使我們與地面隔離得如此好，以至於使我們可以探測引力波。

袁嵐峯：

是的，你們還把這兩個臂造了兩次，對嗎？在兩個不同的地方。

巴里·巴里什:

是的，我們現在有的這張照片，我身後的這個干涉儀，位於美國華盛頓州的西北角，它位於這個州的一個偏遠的地區，即你所説的高地沙漠，叫做漢福德華盛頓。

第二個位於美國東南部的路易斯安那州，是相同的儀器，但它在美國的一個非常不同的地方，是在一片森林裏，為了把它放在那裏，我們基本清除了所有的樹木，我們用了兩組儀器，是為了確定我們看到的是引力波，如果我們在兩個儀器上看到同樣的事情，因為地球上的任何擾動，都不會同時發生在路易斯安那州和華盛頓州，地球的任何運動到達那裏都需要時間，但由於引力以及光波傳播，它們發生的事件幾乎是相同的，因此，通過精確觀察到達時間，我們可以分辨天上信號的來源，為了做到這一點，我們還需要第三個探測器……

袁嵐峯：

它就是VIRGO(歐洲的引力波探測裝置)，對吧？

巴里·巴里什:

是的，第三個就是VIRGO。有了它，我們就可以做你在船上做的事，即通過三角法觀測源頭。

袁嵐峯：

據我所知，中國正在建設一些關於引力波探測的大型項目，如旨在探測宇宙大爆炸的最初信號的阿里宇宙微波偏振望遠鏡(ALICPT)，以及打算將引力波探測器送入太空的太極計劃和天琴計劃，您如何看待這些項目？

巴里·巴里什:

太好了，我認為它們是了不起的科學，非常有遠見。這些實驗彼此不同，所以宇宙微波背景是我們觀察早期宇宙的最佳方式，就下一代宇宙微波背景實驗而言，美國正在打造一個新一代實驗室，我希望中國人可以看到關於早期宇宙的更多的，足夠的信息，使得我們可能實際看到早期宇宙中引力波的歷史，空間引力波探測是一個不同的主題，但不可思議的重要，我認為我們只有在實踐之後才能瞭解，但這和天文學的發展軌跡是一樣的，在天文學中伽利略拿着我們用裸眼看到的基本上用望遠鏡看到了木星的四個衞星，這是現代天文學的開端，你無法用肉眼看到這四個衞星，因此，現在我們的儀器不斷進步，但在過去50年中，天文學中具有革命性的是，我們觀察同一個現象，不僅通過可見光，而且通過各種波長的光，紫外線，紅外線，X射線，射電，我們研究所有這些不同的波長，而正是這些波長的組合，使我們能夠理解天文發現背後的現象，這被稱為多波長天文學，這與引力波研究非常相似，我們在稱之為音頻帶的地方，研究了引力波，這是我們在地球表面所能做的，如果我們進入太空，我們會做一個互補的實驗，來研究不同波長的引力波，比我們在LIGO上研究的更長，因此，這正在使引力波研究變得多波長化，就像我們在天文學中已經做到的那樣，我非常樂觀地認為，這會使研究者對我們的觀測結果，產生了不起的新洞察，中國現在有兩個不同的計劃，（太極計劃和天琴計劃），我不知道它們在中國的情況，也許你可以告訴我，但它們基本上都是互補的，是不同的，如果其中一個完成了，或者兩者都完成了，那麼科學界將大受裨益，在你沒有提到的項目中，還有一個是已經在中國建好的，我認為它在未來是極其重要的，叫做FAST【註釋：500米口徑球面射電望遠鏡，Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope】。

袁嵐峯：

是的

巴里·巴里什:

它是世界上最大的射電望遠鏡

袁嵐峯：

是的

巴里·巴里什:

我們失去了第二大射電望遠鏡，即美國的阿雷西博望遠鏡。因此，中國建立的這台巨大的射電望遠鏡，是一個很好的機會，我認為它在未來會極其重要。

袁嵐峯：

謝謝，所以據我所知，太極計劃和天琴計劃的區別在於，天琴計劃是讓探測器環繞地球，而太極計劃更宏大，是讓探測器環繞太陽。

巴里·巴里什:

環繞太陽的那個（太極計劃），當然更加雄心勃勃，這等價於另一個空間實驗正在實施的，該實驗是由歐洲航天局（ESA）與美國航空航天局（NASA）合作開展（叫做LISA），它也在那個軌道上，另一個（天琴計劃）會更快實現，我認為它也是值得做的，不像前一個那樣雄心勃勃，但也非常非常重要。

袁嵐峯：

非常感謝，非常感謝您的訪談 

巴里·巴里什:

好的，謝謝你。