基普·索恩：原初引力波何时能探测到？
基普·索恩：原初引力波何时能探测到？
2017年2月11日，美国科学家宣布通过激光干涉引力波天文台（LIGO），人类首次直接探测到了引力波。这一时空中的涟漪，第一次被人类所捕捉，加深了人们对于宇宙的理解。
正如诺贝尔物理学奖得主Kip Thorne所说，引力波最令人兴奋的地方在于，它们能让我们了解空间和时间的本质，了解黑洞和其他完全或部分由扭曲时空构成的现象的特性和行为，甚至了解我们宇宙的起源。
自我的科研生涯开启以来，引力波这种以光速传播的时空涟漪就令我着迷。最初，我只是想了解这个概念，但当我意识到在实验上是有可能探测到引力波后，我便彻底沉迷其中。随后，我投身于引力波探测器的设计和建造事业。在经过数十年的努力后，我们终于在2015年首次成功探测到引力波。在本文中，我将为你介绍引力波探测器LIGO的发展历程，我和学生们如何改进它，以及未来引力波探测器将如何革新我们对宇宙的认知。
基普·索恩（Kip S. Thorne）教授因在LIGO探测器（The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）研发和引力波探测方面做出的决定性贡献，与雷纳·韦斯（Rainer Weiss）教授和巴里·巴里什（Barry Barish）教授一起荣获2017年诺贝尔物理学奖。图源：© Nobel Media AB/A.Mahmoud
LIGO的诞生
引力波是时空结构中的扰动。当宇宙中发生极端天文事件时，比如两个黑洞相撞，就会在空间本身产生“涟漪”，这些涟漪会以光速向宇宙中传播。在我的研究生涯刚起步时，我就对引力波非常着迷了。早在20世纪60年代中期，我就开始研究引力波理论及其起源。起初，我的目标是理解引力波是如何产生的，以及这种辐射过程是如何影响其源头的。随后，在1969年，我的同事约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）宣布他可能探测到了引力波。虽然几年后证实这并非真正的引力波信号，但这激发了我思考：是否存在一种有望成功的引力波探测方法？如果成功了，我们又能从中学到什么？
图1：引力波艺术插图。两个运动的大质量天体（如黑洞）周围的空间“涟漪”。
最令我兴奋的是创建一个新的科学领域——引力波天文学的机会。这将为我们提供一个观测宇宙的新“窗口”，有可能彻底改变我们对宇宙运行机制的认知。通过探测引力波，我们可以研究许多此前无法或难以充分研究的现象，包括黑洞特性、超新星爆发和宇宙起源。
1972年，我的另一位同事雷纳·韦斯（Rainer Weiss）提出了一种基于激光测量的引力波探测新方法。起初我持怀疑态度，但经过三年的讨论和研究，我确信这种方法可行。作为一名理论物理学家，我决定投入余生帮助韦斯和其他实验物理学家来实现这一目标。根据我们对引力波预期特性的认知，我们估计需要大约20年的时间来突破技术和科学难关，建造出成功的探测装置。最终，我们花了约40年时间建造激光干涉引力波天文台（LIGO），并在2015年首次探测到引力波——这一切都是值得的。
LIGO的工作原理
LIGO探测器包含一束激光，这束激光射向一个称为分束器的部件。分束器将激光分成两条垂直的光路，这就是探测器的“臂”。臂中的镜子使光束来回反射数百次。两个臂的光束通过输入镜泄漏出来，然后在分束器中产生干涉，最终在光子探测器中形成输出光信号。LIGO的测量原理即为：当引力波经过时，会交替挤压一个臂并延长另一个臂，导致输出光束的强度上下波动（参见下面的模拟视频）。为了测量引力波，我们必须能够探测到探测器臂长的极微小变化。实际上，对于LIGO能探测到的最强引力波，我们需要测量的变化量比臂长本身小1021倍。LIGO的臂长为4公里，这意味着我们必须能够探测到约4×10-18米的变化——这比原子核还要小1000倍！
图2：LIGO干涉仪中的真空涨落示意图。当我和学生们研究LIGO时，我们发现了多个影响探测器测量的噪声源。其中一个噪声源是由我的学生Carlton Caves发现的，这就是我们称之为真空涨落的电磁场波动。你可以将其想象成“反向”进入探测器并叠加在探测器两个臂中激光束上的干扰，导致一个臂中的光束强度上升而另一个臂中的光束强度下降，反之亦然。
在我和学生们为LIGO所做的研究中，很大一部分工作是预测和解决探测灵敏度的问题。我们主要关注“噪声”——即探测器中各个部分（如镜面涂层、悬挂镜子的线缆以及探测器光束中的光子）引起的测量误差，并想方设法降低这些噪声。一个重要的噪声来源是镜子的涂层，这个问题直到我的学生尤里·莱文（Yuri Levin）发现才引起LIGO科学家们的重视。当一束光照在普通镜子的表面时，一部分光被反射回来，而另一部分则会发生透射。为了使得反射光的量最大化，获得最强的信号，实验人员在LIGO的镜子上涂覆了两种不同介电材料的交替薄层。每个薄层的厚度必须是入射激光波长的1/4。为了使LIGO的测量尽可能精确，我们希望每个臂中的光束来回反射的时间要达到我们所能探测到的最长周期引力波的半个周期，这意味着需要几百次反射（让光束被困的更久并不会带来任何好处）为了实现数百次反射，我们使用了十多层涂层。
我的学生莱文发现，在室温下，这些涂层的振动会产生严重的热噪声——这让实验人员大为吃惊。虽然涂层振动的幅度看起来极其微小——在10-15米量级，但考虑到我们要测量镜子位置变化在10-18米的量级时，这种振动就显得相当巨大了。莱文率先发明了一种非常巧妙的新方法来计算探测器各个部分产生了多少热噪声（包括镜面涂层、悬挂镜子的线缆、固态镜子本身的熔融石英等）。莱文的工作为其他科学家研究其他热噪声的来源铺平了道路——其中一些噪声源，比如镜面涂层噪声，LIGO的科学家们此前完全没有意识到。
我的另一位学生卡尔顿·凯夫斯（Carlton Caves），则彻底改变了我们对LIGO探测器中量子噪声的认识。