O的激光幹涉儀要測量宇宙中最微小的變化,唯有保持絕對的寂靜。任何幹擾,哪怕是最微小的雜訊,都必須被抑製,否則永遠也不能確定它是引力波信號還是背景雜訊。
空氣和大地的振蕩都能讓LIGO“失鎖”雜訊。
為了提高探測器的靈敏度,光要沿著幹涉臂反射上百次,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,地麵機械活動,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雜訊。每過十二個小時,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,與途經地球的引力波產生的效應相比,卻顯得極為巨大。幸好這個雜訊源是可預測的,通過連續調節注入幹涉儀的激光頻率以及反射鏡之間的距離,可以補償月球潮汐的影響。
LIGO的反射鏡使用一係列複雜的裝置以隔絕來自外界的雜訊。
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麵的幹擾。此外,疊加起來的葉片彈簧和擺錘則有助於過濾掉高頻雜訊。伺服電機會俯仰、轉動和偏轉這個五噸重的裝置,以抵禦低頻的地麵振動。這是從利文斯頓LIGO早期運轉中獲得的深刻教訓,周圍森林中伐木場裡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雜訊,連倒下的樹木也會產生連續刺耳的雜訊。
麥克和詹姆斯的手上有一份長長的刺激性雜訊的清單。
“通過識別這些雜訊,我們能精確地察覺二十公裡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雜訊。”麥克說,“每年春季每過幾晚就會有一個神秘的雜訊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,雜訊的來源不是本地,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,我們通過雜訊可以準確無誤地看到它們。”
LIGO的超級反射鏡是地球上最精密的人造之物。
鏡子由石英玻璃製成,呈圓盤狀,重四十千克。反射鏡的每一麵都經過高度拋光,使之透明。再對其材質進行逐個分子地蝕刻,使表麵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,對鏡子的表麵進行最終的鍍膜,以此來限製鏡麵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雜訊源。
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,確保激光束在來回反射的過程不會因為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,對它速度的了解就越模糊。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,量子不確定性的雜訊不僅僅會擾亂光子,還能影響真空。
真正用來檢測引力波的是兩束激光重新匯合併幹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,宇宙就是這樣從虛無中誕生的。光子在真空中瞬間出現,又瞬間消失,這種量子漲落現象對光信號產生緻命的影響,幹擾引力波的探測。
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