探測(cè)宇宙時(shí)空波動(dòng)的工具——激光干涉儀

對(duì)于神秘的宇宙，人們想要了解的更多，無論是理論還是實(shí)驗(yàn)都讓人們離宇宙更近。在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中，對(duì)引力波進(jìn)行了描述，而目前科學(xué)家可正在積極探測(cè)宇宙中的引力波。引力波是時(shí)空曲率的擾動(dòng)以行進(jìn)波的形式向外傳遞。引力輻射指的是這些波從星體或星系中輻射出來的現(xiàn)象。

如何對(duì)這些引力波進(jìn)行探測(cè)呢？這是比較困難的，因?yàn)橐Σǖ竭_(dá)地球的時(shí)候已經(jīng)十分微弱了，很難被探測(cè)到。目前科學(xué)家借助激光干涉儀來對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)中的波動(dòng)來進(jìn)行探測(cè)，如著名的美國(guó)激光干涉引力波觀測(cè)站LIGO以及德國(guó)引力波探測(cè)器GEO 600等，都是類似的探測(cè)引力波的儀器設(shè)備。它們測(cè)量?jī)蓷l激光束相遇的時(shí)候所形成的干涉圖樣的變化來探測(cè)引力波，當(dāng)引力波穿過時(shí)激光束的傳播距離會(huì)相應(yīng)變化。

激光干涉儀一般又兩條互相垂直的長(zhǎng)臂組成，長(zhǎng)臂的兩端掛有兩面高反射率的鏡子，激光打入到儀器長(zhǎng)臂后，從而激光束在鏡子之間來回反射。在這個(gè)過程中，光程差會(huì)引起僅有質(zhì)子直徑大小的微小變化，對(duì)這中微小變化進(jìn)行探測(cè)從而對(duì)引力波進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)引力波進(jìn)行檢測(cè)需要極其嚴(yán)苛的條件，包括隔離真空、隔離振動(dòng)等，以免外部環(huán)境以及設(shè)備本身引起的振動(dòng)為檢測(cè)帶來干擾。同時(shí)為了最大限度是減小誤差，引力波監(jiān)測(cè)需要多個(gè)裝著相同探測(cè)裝置的地面站同時(shí)進(jìn)行工作，同時(shí)接收同樣的信號(hào)，才能避免地面信號(hào)源干擾，提升探測(cè)的精度。

美國(guó)的LIGO擁有兩套干涉儀，一套安放在路易斯安娜州的李文斯頓，另一套在華盛頓州的漢福，共同構(gòu)成了一個(gè)觀測(cè)所。真正的引力波信號(hào)會(huì)被兩臺(tái)干涉儀同時(shí)記錄，科學(xué)家可以對(duì)二個(gè)地點(diǎn)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得知哪個(gè)信號(hào)是噪聲。

此外，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們還開始打造一個(gè)“全息干涉儀”，將探測(cè)深入到“普朗克長(zhǎng)度”，以便更進(jìn)一步觀察宇宙的時(shí)空結(jié)構(gòu)及這一結(jié)構(gòu)中的波動(dòng)——引力波?！叭⒏缮鎯x”是利用全息照相的方法來進(jìn)行干涉計(jì)量，其與一般光學(xué)干涉檢測(cè)方法很相似，但獲得相干光的方式不同。光學(xué)干涉檢測(cè)方法獲得相干光的方式，一般是將同一束光的振幅分為兩個(gè)部分，但全息干涉計(jì)量術(shù)則是將同一束光在不同時(shí)間的波前來進(jìn)行干涉，可以看作是一種波前的時(shí)間分割法。這就使相干光束由同一光學(xué)系統(tǒng)所產(chǎn)生，可以消除系統(tǒng)誤差。

對(duì)引力波的探測(cè)不僅可以進(jìn)一步驗(yàn)證廣義相對(duì)論的正確性，而且將為人類展現(xiàn)出一幅全新的物質(zhì)世界圖景，茫茫宇宙，只要有物質(zhì)，到處有引力輻射。人們將會(huì)更加了解宇宙的起源和未來的發(fā)展。