引力波探测器——证明广义相对论的最后一个预言

引力波探测器
——证明广义相对论的最后一个预言

引力波是爱因斯坦在广义相对论中提出的，即物体加速运动时给宇宙时空带来的扰动。通俗地说，可以把它想象成水面上物体运动时产生的水波。但是，由于引力波强度很弱，所以只有非常大的天体才会发出较容易探测的引力波，如超新星爆发或两个黑洞相撞时。因此，相对论提出一百多年来，其“光线偏转”等重要预言被一一证实，而引力波却始终未被直接探测到。

1 962年，有科学家提出利用激光干涉的方法来探测引力波。如果一个物体受到引力波的影响，那么它将会一个方向上被压缩，另一个垂直的方向上被拉伸。就像你捏一个圆的气球，气球在捏的方向上变短了，在垂直方向就变长了，圆气球就变成椭圆气球了。只不过引力波引起的形变非常细微，必须用人类所能达到的最精密的光学仪器才能测量出来。

科学家们为了捕捉并研究到这微弱的波动，建造了一些极度敏感的巨大光学设备，名为“激光干涉”。激光干涉引力波观测站，即LIGO，是由从全球86个研究所来的1 000余名专家成员组成，一同分析研究这些精密仪器所探测到的数据。

引力波探测器原理图1

引力波探测器原理图2

避震系统

路易斯安那的探测器全图

华盛顿的探测器全景图

“天琴计划”效果图

LIGO有两个完全相同的L型激光干涉仪，L型探测器有两条相互垂直的长臂，非常巨大，两臂长度均为4千米。如此巨大的探测器，必须选择合适的平整空旷的地方，分别在华盛顿的汉福德和路易斯安那的利文斯顿，两者相距3002千米。

长臂中各有一个真空度非常高的真空管，真空管里是一个激光通道，这两道激光能精密反映引力波引起的激光通道的极其轻微的变化，一旦测到引力波，两道激光就会发生有规律的长短交替变化，探测信息就会被电子仪器记录下来。为了排除大地震动等干扰因素，两道激光通道都有非常高端精微的设计，这里就不多介绍了。

为什么要造两台一样的仪器呢？因为单靠一个探测器无法确定引力波源的位置，如果有2个以上的探测器，就可以根据接收到信号的时间差来帮助确定引力波源的位置。除此之外，多个探测器也可以帮助排除一些局域的干扰信号。

引力波探测和研究将推动人类理论物理的新发展，给人类探索宇宙的秘密提供新的途径，人类的宇宙探索将揭开新的篇章。

天琴计划——中国的引力波探测工程

北京时间2月11日23点30分，美国国家科学基金会(N SF)宣布人类首次直接探测到了引力波，印证了爱因斯坦的预言。中国本土引力波探测工程“天琴计划”已经于2015年7月份正式启动，部分关键技术研究已有具体进展，目前正在立项中。

中山大学“天琴计划”以引力波研究为中心，开展空间引力波探测计划的预先研究，制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图，并开展关键技术研究。

根据此前的设想，“天琴计划”主要将分四阶段实施：第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施；第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证，以及空间等效原理实验检验；第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证，以及全球重力场测量；第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术，发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。

中山大学珠海校区将建设“天琴计划”所需的地面研究基础设施。中山大学校长罗俊此前曾透露，学校将在珠海校区凤凰山挖山洞，建立山洞超静实验室。“天琴计划”将需要一百人左右的教师团体和四五百人的研究、工程技术人员以及博士后。为此，中山大学此前发布招聘启示，面向全球招募人才。

完成全部四个子计划，大约需要二十年的时间，投资大约150亿元人民币。