探测引力波到底有多难？诺奖得主大赞中国引力波探测项目 | 科技袁人_风闻

导读

袁岚峰和诺贝尔奖得主巴里·巴里什对话，解读引力波。本期为第二期，第一期见：（《引力波有什么魅力？物理诺奖得主巴里·巴里什独家解读 | 科技袁人》）。

视频链接：

西瓜视频：

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本视频发布于2021年11月3****日，观看量已超94万

精彩再现：

袁岚峰：

我们的节目经常有我跟著名科学家的对话，世界顶尖科学家协会与今日头条帮我联系到了一位诺贝尔奖得主巴里·巴里什(Barry C. Barish)，他和另外两位科学家雷纳·韦斯（Rainer Weiss）和基普·索恩（Kip Stephen Thorne），因为探测到引力波获得了2017年的诺贝尔物理学奖，在第四届世界顶尖科学家论坛即将召开之际，我要和巴里什教授进行一次深入的对谈，四年来，引力波科学取得了很多新进展， 但大多数公众对这个领域仍然感到很神秘。下面，我们就来和巴里什教授连线。

袁岚峰：

引力波的可观测效应是什么，引力波在一个方向上被拉伸，在另一个方向上被压缩？

巴里·巴里什:

是的。

袁岚峰：

那么既然这个效应如此微弱，你们是怎么探测到的？

巴里·巴里什:

是的，但引力波没有微弱到精密仪器探测不到的程度。它的确很微弱，但是我们所做的探测大约是1/1000量级，即空间的扭曲度是质子大小的1/1000，所以我们看到我们必须比大型粒子加速器更精确。质子加速器，所以这个扭曲是这样的，我身后的这个仪器

袁岚峰：

对

巴里·巴里什:

同时向两臂发出光，如果时空没有扭曲，同时你的仪器校准正确，这两束光会同时返回，因此，如果它们同时返回，我们可以将一个相当于另一个方向 ，它们加起来给出零的结果，但是，如果引力波通过，一只手臂就会比另一只长约千分之一质子的大小，同事另一只手臂会稍微变短，就像站在哈哈镜前一样，一只手臂变得短了一点 ，另一只变得长了一点，因此，光通过两臂的时间变得不同了，当它们返回时不再精确地抵消，这就是我们如何做探测，这就是我们的探测思路。为了实现它，需要非常非常精确的仪器，许多技术创新做在仪器里，但是这是可做的，而且我们可以用它来探测如此微弱的信号，其实在某种程度上，我们现在甚至可以探测更为微弱的信号，这台仪器就像这样，它基于一台极高功率的激光仪，即这台仪器的名称LIGO 中的L代表的意思，比较光通过两侧所需时间的仪器，叫做干涉仪（interferometer），因此LIGO中I代表激光干涉仪，G代表引力波(gravitational wave),因为我们正在观测来自太空的某些东西，我们有一个天文台（observatory），即LIGO中的字母O所代表的含义。上述就是LIGO这个名字的含义 

袁岚峰：

是的，激光干涉引力波天文台，如此长的一个名字，所以被简称为LIGO

巴里·巴里什:

是的，是这样的

袁岚峰：

我想这是一种非常常用的测量微小距离变化的方法，对吗？因为历史上有很多类似的实验

巴里·巴里什:

是的，干涉仪并不是我们发明的，它是非常常用的仪器，事实上一个物理系的学生，在大一或大二上实验课的时候，几乎肯定要使用干涉仪，他们通过干涉仪看到他们称之为条纹的东西，条纹是光通过时的波长，或明或暗

袁岚峰：

是的，我想好奇的人也会问这样一个问题，既然空间本身已经变化了，那么为何光会感觉到有任何不同呢，为什么干涉图样会有改变?

巴里·巴里什:

两只臂的长短变化，就像当你站在镜子前一样，一只变短了，而另一只边长了，然后反复变化

袁岚峰：

是的，这实际上是使用普通物理学的语言进行的描述，但当我们使用相对论进行描述时， 空间本身在变化

巴里·巴里什:

是的，因为空间和时间存在曲率，你可以用完全相同的解决办法，数学是不同的，但是你得到相同的答案，如果你说在有引力波的时候光变得弯曲，而不是直着走，如果它弯曲了，它显然需要多走一点时间

袁岚峰：

所以LIGO和普通干涉仪的主要区别在于它精确得多，对吧？

巴里·巴里什:

是的

袁岚峰：

所以使LIGO具有高精度的主要技术是些什么？

巴里·巴里什:

使LIGO具有高精度的主要技术之一是蛮力，即做大尺寸，这很昂贵，你可以看到它非常大，一边有四公里，所以它不适合放在我的小桌子上，它非常大，当然也更昂贵，第二：我们需要很多很多的光，这样我们才能观测到微小的效应，因此，我们安装了一个功率极高并且非常特殊的激光仪。第三：我们不允许光发生任何散射，因为这样一来，光的移动路径就会改变，它就不会走它本来应该走的路径，所以这个巨大的体积就被放在很高的真空中，最后，我们发明了很多光学技术，但我不能在这个简短的访谈中详细描述，因为它们非常微妙。

但总的来说，每一个都会给出一些贡献，因此，如果我们从标准的参数开始，将一个探测精度为光波长1/1000的干涉仪大幅加长，我们可以将精度提高到光波长的100万分之一，然后，我们可以把它放在真空中，这又给出一个因子，然后一种非常特殊的光学效应，限制它们的不是物理，而是我们的大脑，因此，我们必须发明并尝试光学技术，使干涉仪运行起来好像更长似的，长得多，而且我们要让它对镜子中的杂质和缺陷等等不敏感，最后，我们可以使探测精度达到光波长的10的-12次方，如我前面所说，这就是我们做的。

袁岚峰：

是的，是的，这是个奇迹，所以我听说，你们必须消除所有已知的效应，例如，如果一辆卡车经过，你们应该识别出这是一辆卡车，而不是引力波。

巴里·巴里什:

是的，我们面临着两个问题，一是所有烦人的环境问题，例如一辆开过的卡车，一架飞过的飞机，闪电，等等…无论如何，即使我们去一个非常偏远的地方，也会受到各种自然现象的影响，最后一个问题是，任何像这样的装置都放在地面上，尽管我们认为地面非常稳定，但其实不是，地面是在运动的。

袁岚峰：

所以你们把它悬浮了起来。

巴里·巴里什:

是的，因此我们必须有一种非常特殊的方法，使仪器与地面的任何运动相隔绝，因此，我们的仪器基本上漂浮在地面上方，我们使用两种技术来做到这一点，一种技术基本上与使你能够平稳行驶汽车的技术相同，当你开车的时候，假如你遇到一个上坡，一辆老式的汽车，人类刚发明汽车时的那种，那么汽车就会上下颠簸，但是现在，当你上下坡时，汽车的运行时非常平稳的，这是由减震器实现的，减震器是一个大弹簧，能够吸收震波。

袁岚峰：

它叫做减震器（shock absorber）对吗？你说什么，减震器？

巴里·巴里什:

是的，是减震器。

袁岚峰：

好的。

巴里·巴里什:

就是安装在你汽车下方，让它能平稳行驶的东西。所以我们做出了世界上最复杂的减震器，比汽车上使用的减震器好上许多。我们做了四层减震器，这样一来，如果地面发生震动，并且震波穿过了第一层，那么震波还必须穿过第二层，它独立于第一层以及第三层和第四层，但这样做仍然不够，所以我们不能只用减震器，来使仪器与地面足够好地隔离，所以我们添加了第二种技术，这种技术或许就是你所熟悉的，当你坐飞机的时候，你的耳机里可能就有这种技术，它能够让环境变得非常安静，能够探测发动机发出的噪音，飞机发动机发车的环境噪音，它抵消这些噪音，上述都是环境噪音，它们都可以被抵消。

但当空姐来问你是否要喝杯茶时，你能听得清清楚楚，因为这不是环境噪音，而是真实的信号，于是我们在这组减震器中，添加了地震计，以及测量任何残余的波动，然后主动推动，这两种技术的组合，使我们与地面隔离得如此好，以至于使我们可以探测引力波。

袁岚峰：

是的，你们还把这两个臂造了两次，对吗？在两个不同的地方。

巴里·巴里什:

是的，我们现在有的这张照片，我身后的这个干涉仪，位于美国华盛顿州的西北角，它位于这个州的一个偏远的地区，即你所说的高地沙漠，叫做汉福德华盛顿。

第二个位于美国东南部的路易斯安那州，是相同的仪器，但它在美国的一个非常不同的地方，是在一片森林里，为了把它放在那里，我们基本清除了所有的树木，我们用了两组仪器，是为了确定我们看到的是引力波，如果我们在两个仪器上看到同样的事情，因为地球上的任何扰动，都不会同时发生在路易斯安那州和华盛顿州，地球的任何运动到达那里都需要时间，但由于引力以及光波传播，它们发生的事件几乎是相同的，因此，通过精确观察到达时间，我们可以分辨天上信号的来源，为了做到这一点，我们还需要第三个探测器……

袁岚峰：

它就是VIRGO(欧洲的引力波探测装置)，对吧？

巴里·巴里什:

是的，第三个就是VIRGO。有了它，我们就可以做你在船上做的事，即通过三角法观测源头。

袁岚峰：

据我所知，中国正在建设一些关于引力波探测的大型项目，如旨在探测宇宙大爆炸的最初信号的阿里宇宙微波偏振望远镜(ALICPT)，以及打算将引力波探测器送入太空的太极计划和天琴计划，您如何看待这些项目？

巴里·巴里什:

太好了，我认为它们是了不起的科学，非常有远见。这些实验彼此不同，所以宇宙微波背景是我们观察早期宇宙的最佳方式，就下一代宇宙微波背景实验而言，美国正在打造一个新一代实验室，我希望中国人可以看到关于早期宇宙的更多的，足够的信息，使得我们可能实际看到早期宇宙中引力波的历史，空间引力波探测是一个不同的主题，但不可思议的重要，我认为我们只有在实践之后才能了解，但这和天文学的发展轨迹是一样的，在天文学中伽利略拿着我们用裸眼看到的基本上用望远镜看到了木星的四个卫星，这是现代天文学的开端，你无法用肉眼看到这四个卫星，因此，现在我们的仪器不断进步，但在过去50年中，天文学中具有革命性的是，我们观察同一个现象，不仅通过可见光，而且通过各种波长的光，紫外线，红外线，X射线，射电，我们研究所有这些不同的波长，而正是这些波长的组合，使我们能够理解天文发现背后的现象，这被称为多波长天文学，这与引力波研究非常相似，我们在称之为音频带的地方，研究了引力波，这是我们在地球表面所能做的，如果我们进入太空，我们会做一个互补的实验，来研究不同波长的引力波，比我们在LIGO上研究的更长，因此，这正在使引力波研究变得多波长化，就像我们在天文学中已经做到的那样，我非常乐观地认为，这会使研究者对我们的观测结果，产生了不起的新洞察，中国现在有两个不同的计划，（太极计划和天琴计划），我不知道它们在中国的情况，也许你可以告诉我，但它们基本上都是互补的，是不同的，如果其中一个完成了，或者两者都完成了，那么科学界将大受裨益，在你没有提到的项目中，还有一个是已经在中国建好的，我认为它在未来是极其重要的，叫做FAST【注释：500米口径球面射电望远镜，Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope】。

袁岚峰：

是的

巴里·巴里什:

它是世界上最大的射电望远镜

袁岚峰：

是的

巴里·巴里什:

我们失去了第二大射电望远镜，即美国的阿雷西博望远镜。因此，中国建立的这台巨大的射电望远镜，是一个很好的机会，我认为它在未来会极其重要。

袁岚峰：

谢谢，所以据我所知，太极计划和天琴计划的区别在于，天琴计划是让探测器环绕地球，而太极计划更宏大，是让探测器环绕太阳。

巴里·巴里什:

环绕太阳的那个（太极计划），当然更加雄心勃勃，这等价于另一个空间实验正在实施的，该实验是由欧洲航天局（ESA）与美国航空航天局（NASA）合作开展（叫做LISA），它也在那个轨道上，另一个（天琴计划）会更快实现，我认为它也是值得做的，不像前一个那样雄心勃勃，但也非常非常重要。

袁岚峰：

非常感谢，非常感谢您的访谈 

巴里·巴里什:

好的，谢谢你。