侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

回到1916和爱因斯坦探秘引力波与激光

2016-03-30 09:06
水墨黯月
关注

  编者按:

  1916年,爱因斯坦预言引力波,并提出量子电磁辐射理论、完善光子概念。

  百年之后,爱因斯坦预言的引力波通过激光的干涉被探测到,而激光正是基于量子电磁辐射理论。LIGO的技术还与爱因斯坦的光子概念和布朗运动理论相关。

  LIGO探测到引力波是对爱因斯坦两方面工作共同的一百周年纪念, 一方面是广义相对论和引力波,另一方面是量子电磁辐射理论。这是属于爱因斯坦的独特的幸运。

  1引言

  2015年9月14日,美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到来自13亿光年外的两个黑洞并合所产生的引力波。论文于2016年2月12日发表 [1,2]。而在100年前,1915年的11月,爱因斯坦完成了广义相对论的创立, 并算出太阳附近光线偏折和水星进动的正确结果 [3,4]; 半年之后,1916年6月,爱因斯坦预言了引力波 [5]。

  有趣的是,在LIGO探测引力波的技术中,激光以及爱因斯坦1905年首先在理论上发现的光子扮演了重要的角色,而激光的理论基础和光子概念的完善正是爱因斯坦1916年提出的量子电磁辐射理论。另外,LIGO的探测技术也涉及爱因斯坦的布朗运动理论。

爱因斯坦在柏林的书房,1916年。

  更有趣的是,爱因斯坦的量子电磁辐射理论的建立正好紧接着引力波的工作。

  这些伟大工作的过程是什么样的?它们是如何发生的?它们的发生有没有关联?在这篇文章中,笔者在梳理LIGO技术中的“爱因斯坦元素”后,试图勾勒出爱因斯坦当时在引力和量子论两方面的工作情况。

  2引力波探测技术中的“爱因斯坦元素”

  2.1 激光与光子

  根据LIGO官网的介绍 [6],LIGO目前在美国有两个相距3002公里的探测器,而每个探测器是一个巨大的迈克尔孙干涉仪(Michelson Interferometer),有两条4公里长、相互垂直的长臂。在干涉仪中,一束激光被分成两束,分别在两臂中传播,最后再重新汇聚,从而发生干涉,干涉的情况取决于两臂的长度之差。引力波是时空度规的扰动,是横波(传播方向垂直于振动平面),当它通过引力波探测器时,引起这两臂长度的不同改变,而光速保持不变,因此导致干涉信号的改变。LIGO测量两臂长度的改变,从而探测引力波。而两个探测器协同工作,可以排除单个探测器附近其它因素导致的长度改变。在排除掉其它原因后,通过与理论计算结果的比较,就可以把两臂长度变化归因于引力波。

  两束相同频率的单色光发生干涉,总强度取决于二者的相位差。假设这两束光从同一初始位置出发,经过不同的路径花费不同的时间,最后到达同一位置。它们的相位差就等于两者经历的时间差乘以频率,再乘以2π。时间差就是距离差除以光速,频率是周期的倒数,光速乘以周期(即光速除以频率)就是波长。因此相位差也等于距离差除以这两束光的波长,再乘以2π。光的波长和周期都很短,所以干涉仪可以测量很小的距离差或时间差。1880年代,美国物理学家迈克尔孙设计出以他名字命名的干涉仪,在两条互相垂直、长度相等的路径末端放置反射镜,使得两束光汇聚到起始的分光镜。 他用它来测量光波的媒介(以太)相对于地球的速度。如果存在以太,因为地球在运动,那么对于不同方向的相同距离,光传播的时间就会不同,从而导致相位差。 1887年,迈克尔孙和莫雷( E. W. Morley) 确定了地球相对于以太的速度为零。荷兰物理学家洛伦兹 (H. A. Lorentz)曾用同一坐标系中长度的物理变化来解释这个零结果。而作为相对论的另一位先驱,法国数学家兼物理学家庞加莱(H. Poincare)注意到不同地点的同时性概念存在问题。1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,以光速不变原理和相对性原理取代了以太假说,即以太不存在,光的传播不需要媒介。

  现代的迈克尔孙干涉仪当然要用激光,因为它具有高度的空间相干和时间相干,在空间上和频率上都很集中。以激光为基础的迈克尔孙—莫雷实验的精度达到10-15[7],而LIGO能够测量到10-19米的长度变化(这次引力波事件导致4x10-18米的变化[1]),这对探测到引力波起到了关键作用。

  激光的英文laser是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写,意思是受激辐射引起的光放大。这里的辐射是指量子电磁辐射,光是指可见光,是某个频率段的电磁波。激光于1960年发明,它的基础就是爱因斯坦的量子电磁辐射理论中首次提出的受激辐射。爱因斯坦指出,电子在电磁场中存在吸收、自发辐射、受激辐射三种过程,他通过考虑它们的平衡,给出了普朗克辐射公式的新推导。在激光器中,增益介质中的电子在入射光中被激发到高能态,导致高能态的电子多于低能态的电子,即所谓的粒子数反转。高能态电子回落到低能态时,又辐射出电磁波,这就是爱因斯坦首先指出的受激辐射,也是激光全称中“放大(amplified)”一词的由来。受激辐射发出的光的频率、相位和偏振都是一致的,从而具有高度相干性。

  LIGO的光学系统由激光、镜子和光探测器组成,其稳定性由抗干扰的衰减系统和超真空(真空度仅次于大型强子对撞机,LHC)保证。从激光二极管产生的4瓦、波长808纳米的激光进入到一个被称作非平面圈振荡器的晶体激光装置,产生2瓦、波长1064纳米的受激辐射,然后它再进入另一个放大装置,变成20瓦、波长1064纳米的激光。据称在这个波段,这是世界上最稳定的激光 [6]。然后借助于在分束器前面的若干“能量循环”(power recycling)半透镜, 将激光的功率提高到700瓦后进入分束器 [1]。

  入射激光被分束器分到相互垂直的两臂。每个臂都在一个法布里—珀罗(Fabry-Pero)腔里,借助于两端的镜子使得激光在里面来回反射很多次,光路从单程4公里放大到约等于引力波的波长的四分之一,从而使得测量效果最佳。对于100赫兹的引力波来说,这个长度是750公里。光程越长,对仪器的振动也越敏感。因为每束光要被镜子发射很多次,所以为了光路的精确,镜面的制作被控制到原子量级。同时,在法布里—珀罗腔里,激光功率放大到100千瓦(将来可以达到750千瓦) [1],从而使参与探测的光子大大增加,降低噪声并提高灵敏度。

  镜子会吸收光,而LIGO的镜子(又称测试质量,test mass)由氢氧化物含量低的超纯度的石英玻璃制成。每330万个入射光子中,只有一个光子被吸收致热。有一个辅助系统用二氧化碳激光加热,精确抵消主激光导致的形变 [6]。

  电磁场的真空涨落导致光子到达镜子的时间和光子数目的涨落,说明光是由光子组成的。前者被称作光子颗粒噪声,与真空的相位涨落相关,频率较高(200赫兹以上), 是LIGO的高频噪声的主要来源,因此决定了LIGO测量微小距离的基本极限。后者与真空的振幅涨落相关,频率较低,导致光对镜子的辐射压的涨落,从而又导致镜子位置的涨落。它们统称为量子噪声。量子噪声可以通过调节光学系统(比如激光功率和镜子的质量)和空腔的参数来克服,也可以用处于压缩态(振幅和相位的涨落的乘积达到海森堡不确定关系所允许的最小值)的激光来解决。所以引力波探测与量子测量这两个领域有密切关系。比如,量子测量的专家布拉津斯基(V. Braginsky)和凯夫斯(C. Caves)原来都是从事引力波探测的。

  而这些物理问题可以追溯到爱因斯坦1905年提出的光量子概念以及他1916年的量子电磁辐射理论。

  2.2 热噪声

  LIGO的光学系统非常敏感,因此需要克服非常小的干扰。为克服环境扰动,LIGO设置了一套有几百个层次的复杂的反馈控制系统。首先是要克服镜子内部和周边的原子的无规运动。每个镜子(40公斤重)吊在一个360公斤的4极单摆中。悬挂系统由两个链(主链和反应链)组成。主链从上到下有4个质量,上面两个是钢,下面两个是石英玻璃。这个材料的力学损耗低。最下面的石英玻璃就是镜子,尺寸34厘米x20厘米,由整体的石英玻璃纤维悬挂,以尽量降低热噪声。反应链最下端的与测试质量平行的是反应质量。干涉仪的每个臂两端的镜子之间的距离的稳定(变化不超过10-12米)通过反应质量来保证。反应质量与测试质量之间由磁体联系。

  防振的第一道防线是一个主动衰减隔离系统,通过位置和振动传感器与永磁体调节器共同抵消外部运动。 这将系统与10赫兹以上的地面运动隔离3个数量级, 导致悬挂系统受到的振动干扰小于2x10-13米。上节所述的悬挂系统作为被动隔离系统,再继续将噪音降低7个数量级,从而达到10-19 米的敏感度。

1  2  3  下一页>  
声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号