第7章　一小节轻音乐

美国能源部下辖的汉福德核子禁区，现为美国最重要的核废料堆放地，位于中南部华盛顿州太平洋凯斯凯地山区雨影带的沙地里，占地上千平方千米。当美国政府于20世纪40年代在汉福德建造一家钚工厂时，约翰·惠勒就第一个来到了这个与世隔绝的基地。这里还要提一些题外话，钚是一种自然界原本不存在的元素，而后来轰炸长崎的原子弹所用的钚就是这家工厂生产的。当时惠勒住在里奇兰德市附近，他还记得那是“美国陆军工程军团在几个月内建立起来的一片由住宅、商店和学校构成的生活区。人行道都铺有柏油，那是工程军团像挤牙膏一样挤上去的。在工程军团的压路机碾过之前，这儿还是一片农场。现在地下残留的芦笋都生根发芽了，劈劈啪啪地钻出了人行道的柏油路面”。这座哥伦比亚河畔的小镇，仍在生机勃勃地发展着。

从里奇兰德市到汉福德的工厂有16千米的路程，沿着240号公路一直往西走就能找到。拐弯处并不明显。在关键的路口，路标只指示继续向西走或者往南拐这两个方向，根本就没有指明通向北方核废料堆放地的高速路。这是汉福德作为国家机密多年来所留下的习惯。沿着向北这条鲜有车辆通行的双车道公路前行8千米，就会看到路易斯安那州的LIGO的复制品——同样的乳白色、蓝色和灰色色调。古时候由一个冰川湖冲积而成的这一大片平地上面，孤零零地伏卧着这座天文台，既像一家美观大方的商场，又像荒野中的一座现代艺术博物馆。它是汉福德基地的一位免地租客户，最近的邻居也有数千米远，那是一家核电站和一座用来研究的球形核反应堆。它们头顶的天空，都乌云密布。只有在西南方，才有被马之天堂群山和平缓的响尾蛇山隔出的一片蔚蓝色天空。

风滚草这种无意中引入美国西部的俄罗斯蓟类植物，现在漫山遍野到处都是。它们的绿色波浪在这片蛮荒之地翻滚起伏着，并沿着干涉仪的两条管道臂堆积了起来。“去年我们割掉了200吨的这玩意，”汉福德天文台台长弗莱德·拉阿布这样说，“每星期我们都要全体出动一次去清理它们。”他们把割下来的风滚草像干草一样捆起来，用于基地的防腐蚀。也就是说，沿着天文台的管道臂数千米长的路面都要堆满这种草垛。

拉阿布非常喜欢自己的工作。“首先，你得写好剧本。”他强调说。当开始相信有生之年人类能够探测到引力波时，他就加入了LIGO工程。考虑到他的背景，这根本就是一个挑战。他原来学的是原子物理，在微尺度的精确测量方面工作了很长时间。“对我来说，饭菜就是一碗凝胶物。”他说。这里他是相对于原子水平持续的振动来说的。而LIGO要寻找的引力振动，幅度将会更小。

这趟探索行程是从探测器的中心站开始的，那是一座金属铸成的封闭城堡，在明亮的荧光灯下熠熠生辉。建造这台仪器共用去了700吨金属。而建造地板和两条管道臂一共用去了700卡车的混凝土。实验物体所在的真空室，就像微型酿酒厂里的一只酒桶，尽管没那么光滑。拉阿布哈哈大笑说：“它更像是一个污水处理厂。”然而，那里却没有噪声，只有通风口传来的细细风声。引力波探测是从激光器开始的，它放在中心站大厅里的一个凹室里。激光器把激光射向真空系统，光束在那儿分成两束，每束又分别沿着一条4千米长的管道臂传出去。跟路易斯安那州的天文台一样，两条臂也是成“L”状排列，一条指向西南方，一条指向西北方。

由于汉福德基地的行动一向十分隐秘，当地一些人纷纷怀疑在这座天文台外衣下面是不是隐藏着一项秘密激光武器工程。在他们的想象中，天文台的两条臂有着某种铰链装置，能够抬起来，并向太空发射出高能量的激光束。对公众教育十分热心的拉阿布，制作了一个小的桌面干涉仪，并带到当地学校去，向公众演示了那两条几千米长的管道到底是干什么用的。他用的光源是玩具激光指示器^[74]，就是演讲中常用的那种。拉阿布把它夹在了一个晾衣夹里固定起来。它发出的红光射向一个“光线分裂机”，然后分成两束光，分别沿夹角为90度的两个方向射出。之后再分别经一块镜片反射，回来途中合二为一，最终射向一张白屏。当两束光“同相”时，波峰与波峰叠加，屏上就会出现一个红色亮斑。当两束光“反相”时，一束光的波谷抵消了另一束的波峰（就像+1与-1之和为0一样），屏上会出现一个暗斑。轻轻扯动一根细线来稍稍移动一面镜片，改变一条臂的长度，屏上的光斑就会从亮变暗，或者从暗变亮。小孩子们都觉得这种效应很有趣。LIGO内进行的正是这个过程：一条臂长度的细微变化，将会转化成干涉仪输出装置光强的变化。

LIGO是从迈克耳逊—莫雷干涉仪直接派生出来的，而后者探测光速变化的失败导致了相对论的产生。但是，迈克耳逊—莫雷干涉仪探测到变化之时，也就是相对论灰飞烟灭之日；而LIGO将来的探测结果却支撑着广义相对论的一个关键预言。迈克耳逊是他那个年代最伟大的实验家，他的干涉仪能探测光波波长1/20的长度变化。而在LIGO的早期阶段，研究人员们预期它的探测效果要比自己的前辈好1000亿倍。在测量距离变化方面，干涉仪是目前灵敏度最高的设备。这种设备自身看起来就是一个矛盾。为了探测一个极其微小的量——远比亚原子粒子要小的时空变化量——却需要一台4千米长的巨型设备。为了达到这种极高的灵敏度，研究人员们还耍了个小聪明：他们让激光束在管道臂内每次往返途中，都上下反射100多次，使总行程达到了800千米。这样管道臂的有效长度更长了，探测到引力波的概率也就增加了。

汉福德天文台和利文斯顿天文台一起，构成了斜穿美国大陆的单一探测设备。相距3000千米（以引力波的速度，要0.01秒才能走完）的这两个基地，是提议中分布在17个州的19个备选地点中的两个。最终的选择是综合考虑到政治上的因素和科学上的实用性而做出的。当然，所选场地要足够平坦，地震和噪声还得少，无线电通信和附近的住房都得有现成的，而且为了排除局部噪声的干扰，两个基地相距至少2400千米远。这样的话，像韦伯的设备那样的、仅仅一个基地附近的过路火车、汽车，或其他推撞事件带来的振动，就可以忽略不计了。两座天文台联合起来，可以大大增强探测引力波的能力。理论上来说，正在用的共振棒探测器也能探测到我们银河系里的超新星爆发，但这种机会太小了，每30～100年才有一次。而我们银河系里两颗中子星碰撞的概率更小，每10万年才有一次。这个概率对人这有限的一生来说可不大。而LIGO的卖点就在于它的探测范围能扩展到无数的河外星系，这样，探测的事件就更多了，探测到引力波的机会也就大多了。

为了排除局部干扰，两个LIGO基地相距3000千米

华盛顿州和路易斯安那州的天文台结构很类似，但与其说完全相同，倒不如说更像一对异卵双胞胎。汉福德的设备事实上包含有贯穿管道臂并排安装着的两台干涉仪。其中一台干涉仪为全尺寸的，4千米长；另一台只有一半长。在缩短了一半的探测器里，沿臂向前2千米处的中点站安装有末端的实验物体。由于光学构造不同，每台干涉仪都像无线电接收器一样可调，用来捕捉不同频率的引力波。这也意味着可以只靠两个探测基地，就能有三个核证引力波探测的机会。作为选择，汉福德干涉仪中的一台可以昼夜不停地工作上一段时间，连续不断地监视引力波；而另外一台用来缝缝补补，让研究人员们在稳步提升仪器性能的同时，能学得更多这方面的技术。这套双重系统给了他们更多的选择。

分布于美国东西两岸的LIGO探测器对频率在100～3000赫兹的引力波探测效果最好。按音阶划分，这个频率范围是从极低的A调到很高的F调。研究人员们将不断寻找宇宙中传来的、这个频率范围内的各种信号。在这个范围内，将会有恒星爆发发出的铙钹撞击声，高速旋转的脉冲星发出的周期性的鼓点声，两个黑洞合并时拉长了的演奏——一种急速上滑的音调，还有微弱的背景嘶嘶声，这是与宇宙微波背景辐射相对应的引力辐射（本章中引力波多被称为“天庭飘来的仙乐”）。此外，LIGO还会经常把自己的发现与其他探测器的数据相比较，比如共振棒探测器、天文望远镜和中微子探测器，以免探测到另一个像超新星1987A这样壮观的事件后，却没有其他资料来对比确认。

抵达地球的一个真正的引力子，将会同时刺激到两台探测器。但在这个过程中，干涉仪将面临一系列干扰，而这些干扰韦伯根本就不用考虑，这让干涉仪看起来更加令人惊奇。比如说，海浪就是这种干扰。LIGO的两台探测器离海岸都只有几千米远，并不能阻止海洋带来的噪声。当海浪沿北美大陆所有海岸线拍打海岸时，它们一起将在大约每6秒内就产生一个回波，即这种低吟的频率为0.16赫兹。这是一个胜过所有低音的低音符。事实上，它的频率低得轻易就能穿越地球。LIGO的研究员迈克尔·扎克说：“你要是在那儿放上一面镜子的话，它就能感受到这种低吟声。”所以LIGO的镜片也会感受到一个轻微的扰动。“真是个麻烦，特别是在路易斯安那州飓风季节，更是个大麻烦。”扎克补充说。LIGO还会受固体潮的影响，这是地球在受太阳和月亮的引力作用下产生的一种变形。这种变形很小——10^-6厘米的量级——但对LIGO来说已经很大了，必须加以考虑。研究人员用“潮汐制动器”周期性地推拉光学实验台，来抵消这种效应。

更麻烦的可能是在美国辽阔的中心地带上空发生的雷暴现象。这是两台相隔千里的探测器有可能同时感应到的外部干涉源之一。比如说，犹他州的一个雷暴，释放出几百万安培的电流，就会产生一个覆盖全国的磁场，有可能两个基地同时都能感应到。这样一个符合信号可能会被误认为是引力波。为了排除这种噪声，每个基地都装有磁感应器，来监视这种磁脉冲。在这两个基地里，禁止使用民用波段的无线电通信和手机，因为它们也可能会带来干扰。

20年前，LIGO是从一个很小的研究小组开始起步的。现如今，它已经成长为一个大工程了。它最终的建设费用为2.92亿美元，追加了8000万美元用于委托费用和系统升级，这样一来，它就成了NSF支持的最昂贵的单个项目。（花费80亿美元或者更多的超导超级对撞机，大部分的资金是由美国能源部提供的。）与工作在加州理工学院、MIT和两个探测基地里的LIGO内部人员们一起奋斗的，还有在政府资金的支持下，正为LIGO将来的改进工作而不懈努力着的其他高校的研究人员。他们一起构成了LIGO的科学协作组。他们工作的主要内容是处理那些可能淹没掉引力波信号的仪器噪声。斯坦·惠特柯姆亲眼目睹了这种发展。起先他的工作对象是用于亚毫米波射电天文望远镜的仪器设备，1980年他首次来到加州理工学院，帮助组装德莱弗设计的40米长的干涉仪原型。不过，还不到5年，他就去企业工作了，部分是因为他对干涉仪慢吞吞的进度并不看好。“1980年时，我们还设想着8年内能建立起大型探测器呢，并没有认识到全部的技术难题，没有意识到提高灵敏度有多难。如果提前知道难度这么大的话，我们可能就不会做这个了，”他说，“我们有六块玻璃——四块作为实验物体，一块作为分光仪，还有一块用作循环镜片——全都用金属线悬挂着。在不能碰它们的情况下，我们还得在十亿分之一米到百万亿分之一米的精度范围内定位它们。”1991年，当看到NSF给了这个工程更加有力的支持时，他又回来了。同时，技术上的进步也让他抱持一种更为乐观的态度。他说：“我们还不知道技术已经进步了这么多——超级镜片、激光器和真空系统都有了很大进步，帮了我们大忙，太幸运了。”探测器的每一个部件都是工程上的奇迹。

镜片

加里林·比林斯利是镜片的保管员。她从在加州理工学院工作时就目睹了镜片生产的每一个环节。她说：“他们制作这些镜片真是太了不起了！”这些镜片的规格大大超过了正常的工业标准，向前推进了镜片制造的极限。由于端点处的镜片离激光器有4千米远，中间这些镜片在激光束穿越管道臂的过程中，上上下下的反射要极其精准。这就要求镜片表面十分光滑，高低参差不能超过百亿分之一厘米，特别是光束将照射到的中心那5厘米的范围。比林斯利形象地说：“若地球有那么光滑的话，平均山高将不超过3厘米。”在制造之前，先选择好材料，这要求能帮助减弱干涉仪的一个主要干扰源：热噪声。室温下，镜片中的原子一直在不停地振动着、运动着，很容易就能淹没掉到来的引力子。但设若制造镜片的材料就像一口钟一样^[75]（工程学上称具有“高Q值”，即品质因数很高），这些振动将会局限在一个很窄的频率范围内，这样其他的频率窗口仍为引力波探测而大开着，没有干涉噪声。这就好比把屋里的家具都堆在一角，留出剩余的空间以供使用一样。

研究人员选择了熔融石英。这种玻璃的纯度可以加工得很高。镜片是由美国的康林公司和德国的贺利氏公司制造的，之后又送往加利福尼亚的通用光学公司和澳大利亚政府的一家实验室CSIRO（联邦科学与工业研究组织）打磨抛光，最终成了直径25厘米、厚10厘米的圆盘，每块重10千克。最后一步是镀上反射材料，由科罗拉多州玻尔德市的电光研究所负责，他们精于低损耗镜片的制作。这层薄薄的覆盖物是由一层层交替镀上的二氧化硅和五氧化钽构成的。打到镜面上的每10万个光子中，只有少数几个在反射过程中丢失。最终制成的镜片有24块，每台干涉仪用去4块作为实验物体，余下的留作备用。此外，一批二级光学元件也以同样的标准抛光、镀膜，在干涉仪内起激光束的导引和定向作用。

备用镜片存放在位于加州理工学院校园南端桥楼内的LIGO光学实验室里。这些小圆盘都存放在铝质蛋糕盒子一样的小盒里，然后放在防地震柜子里的架子上。而实验室自身却是一间没有窗户的屋子，就像一间手术室。访客和技师们一直都戴着面具、帽子，穿着无菌鞋，以保持一个干净的环境，因为哪怕对着镜片轻呼一口气，都将严重污染镜面。从一块镜片上往下看，就像在注视一池绝对纯净、静止的清水，肉眼看不到任何气泡和刮痕。LIGO的光学工程师史蒂夫·埃里森说：“至今我已经拿起过这些镜片95次了，每次都屏住呼吸，直到放下。”他小心翼翼是有其原因的：每块镜片从取材到制成，都要花费10万美元。

悬挂与防震

镜片是悬挂在一个貌似绞刑架的东西上的。挂上后，镜片只受到重力的作用。这样，就把它们与其他仪器设备隔离开来了。然而，这样的安装对工程师们来说却是一个很伤脑筋的过程。每一块圆柱形镜片都由尽可能细的悬丝来保持平衡：一根牙线一样细的钢丝，挂在类似于绞刑架的支撑架上。这根纤细的钢丝很像吉他弦，不过只有0.25毫米粗细。像镜片中的硅成分一样，钢丝也有着很高的Q值。这样，热引起的振动就像弦乐器一样，频率位于340赫兹附近。研究人员精心挑选钢丝的材料，要求音调尽可能纯，振动时间尽可能长，就像一场音乐会结束后，小提琴的单音仍持续几分钟袅袅不绝一样。这样一来，频率更低或更高的引力波就能更清楚地分辨出来，而不至于被淹没在热噪声中了。

像坐在秋千里的小孩一样挂在钢丝上的镜片，可以前后摆动而不影响测量。引力波会让它们高速振动起来，大概每秒要振动100～3000次（即频率为100～3000赫兹）。（或者我们可以换一个角度来看——从相对论的角度来看——镜片间要测量的空间在颤抖。）而另一方面，普通的地震过程引起的动作，相对来说要“慢”一点。它们会导致镜片每秒种振荡1次，而且动作幅度非常小，只有细菌的尺寸那么大。这种频率极低的振荡很难过滤掉。但镜片真这样每秒前后振荡1次的话（振动频率为1赫兹），就可以忽略这些运动，从根本上把它们剔除出去了。这是研究人员们的窍门之一，这些窍门让他们能够专注于引力波引起的极其细微的时空运动。与引力波相比，地震和潮汐运动太慢了，所以淹没不了这种宇宙深处传来的信号。

不过，LIGO还要与许多地面振动隔绝开来：一辆途经的卡车、主楼洗手间里的水流引起的震动，以及地震时的颤抖。这些噪声仍有鱼目混珠的可能，引入类似引力波的振动。第一道防线就是地板。这是一层75厘米厚的混凝土地板，并不与墙壁直接相连，所以任何外界振动——比如疾风带来的震动——都不会进入这个系统。而第二道防线就是，所有的实验物体和其他光学设备都放在真空仓里，并有自己的一套防震系统。这些光学器件都安放在一套4块摞在一起的不锈钢片上，每层钢片之间都垫有一组弹簧，能在很大程度上吸收地面振动，就像汽车的悬架^[76]一样。它能把地面振动减弱到百万分之一的量级。

真空系统

LIGO资金的大部分，约80%，并没有花到像电子元件和计算机之类的复杂设备上，而是流向了这个高科技工程的低技术含量的项目上：管道的建设、粉刷以及真空泵的建造。不锈钢管道的建造使用的是建造输油管道的方法，两个基地里都建起了临时工厂来完成这个任务。在路易斯安那，激光束管道是在毗邻一家商场的一座大仓库里建造的，距离天文台有20千米远。经过连续11个月的努力，芝加哥桥梁钢铁公司的员工们一共生产了400个单元管道，每个20米长。不锈钢是大卷大卷运到仓库里的，就像一卷卷巨大的家用铝箔。自动传送机把这些大卷的不锈钢片源源不断地送进一台机器里，绞成螺旋状，再用高频能量脉冲自动焊接好。钢片卷入的速度是0.1米每秒，20米长的单元管道大约45分钟就生产出来了，红的、蓝的、乳白的条纹闪着微光，活像理发店门前颇富创意的杆状招牌。每根管子都要单独进行泄漏测试（无一泄漏），之后再进行最后的清理工作。清理工作是在一间单独的屋子里完成的，清理人员把一个小巧的遥控车送进每根管子里，冲刷并用蒸汽冲洗整个内壁。最终的标准是冲洗后水中的脏污只有百万分之一。“每个细节都像这样，”LIGO工程师塞西尔·福兰克林说，“任何差错都会导致全盘崩溃。”最后，每根管子都被装入一只塑料袋——看起来有点像裹尸袋——再运往基地，然后这些单元管道再焊接成长管道壁。一台完整的干涉仪总共有48千米长的焊缝。

事实上，每条臂的末端都要比中心站处的起始点高上一两米。这是对地球曲率的一种补偿，以便在地球表面向下弯曲的情况下，光束在逐渐升高的管道壁内得以直射前方。由于制造时一个小小的测量错误，哈勃太空望远镜的焦点没有对准，这件事一直压在怀斯心头。在LIGO的建设过程中，他常常满头大汗地从梦中惊醒，担心管道壁是否足够直。后来他认识到，只有通过检查建设好的管道壁才能确定。“我们在利文斯顿的管道壁一端，让其他人拿着探照灯去另外一端，”怀斯回忆说，“我们能够交谈是因为管道能够很好地传播声音。灯打开后，我们看着大约低了30厘米。我们喊道：‘为什么不把它放在中间？’对方回答说：‘它就在中间。’在不到15秒的时间里，我渐渐明白了怎么回事：是空气的原因。因为从管道的顶端到底部空气的密度和温度都有变化，产生了折射效应。真的很幸运，我们都得意扬扬的。当时是早晨，阳光还没有洒到仪器上呢。如果再等3个小时的话，将看不到一丝光线，我会以为我们落了什么东西在里面了呢，就得重新进去，这要花费很多钱。”

空气是激光束传播的最大阻碍，所以管道壁内要抽空到压力只有万亿分之一个大气压的水平。这样光线就不会碰到空气分子而散射，进而引入噪声了。由于每台探测器都占据着8000立方米的空间，LIGO最终建起了全球最大的人工真空仓。管道中残留的气体在一个大气压下只能占据顶针大小的体积。LIGO用的可不是常规手法来做到这一步的，而是冒险走了一条新路子。LIGO的工程师们采用了特种钢来制作真空系统，这种合金钢被连续加热了好几天来除氢，使得氢元素的含量只有商用真空系统钢的百分之一。通常情况下，氢原子会从钢材中泄漏出来，影响真空度。离子加速器的设计者们就是通过加热装配好的管道的办法来解决这个问题的。这样，受热激发到一定程度的氢原子就会从钢体中跑出来，然后被排除出去。但这种排气方法对于1.2米粗、几千米长的管道来说极其昂贵。从一开始就限制钢材里的氢含量，就会把LIGO的总造价给降下来，这样才承担得起。尽管这些管道还得加热来排除剩余的气体，但所需抽气泵的数目就大为降低了。“要不然，LIGO就太贵了，根本就建造不起。”惠特柯姆说。

激光器

正如隆·德莱弗在他早期的调研中发现的那样，引力波干涉仪需要极其稳定的激光，频率或强度上的任何波动都会被误认为是引力波。最初，他们打算用一台氩离子激光器，这种激光器发射的是绿光。“但是使用氩离子激光器，就好比是在有了晶体管收音机之后仍使用真空管收音机一样。”巴里·巴里希这样说。最后一刻，他们改用了稳定性极好的固体红外激光器。这种体积又小、功能又强大的激光器被称为钕YAG（钕钇铝石榴石，工作部件为钇铝石榴石晶体激光器）。它发出的光，频率漂移不会超过10^-21，而且还可以按比例增加光功率。最初，LIGO想用一个10瓦特的激光器，但后来计划有变，功率要提升到100瓦特，这样会对减少一种被称为“散粒噪声”的干涉效应略有好处。正如爱因斯坦在自己诺贝尔奖级的发现中提到的那样，光传播过程中不连续的波包称为光子。当只有少数光子与镜面碰撞时，计数时的噪声会很大。现考虑洗手间水龙头滴水时的噪声。当水流量很小时，每一滴水都清晰可辨（这个很讨厌）。但水流量逐渐增大、最终稳定下来时，噪声就会慢慢消除，变得越来越安静了。同样，干涉仪中激光束的能量增强时，散粒噪声的相对强度也就变小了。循环光路——让光线回到干涉仪约100次——也能降低散粒噪声。通过这些方式来增加激光能量，LIGO将能够“看清”更为深远的宇宙。这是因为应变的大小——LIGO能够探测到的时空弯曲的程度——与激光能量直接相关。激光能量增大10倍的话——同时散粒噪声也会减弱——探测器将能够探测到更远距离外传过来的更小的时空应变。

干涉仪

这些不同的仪器设备组装起来，就成了LIGO的核心——干涉仪。它要是不工作的话，全都白搭。20世纪80年代读研究生时曾在加州理工学院的原型上磕掉了大牙的扎克，现正在MIT领导负责干涉仪控制的任务组。他说：“我们是用黏胶把光学器件固定在一条线上的，这样两束激光就恰好能共振了。”他们的策略是尽可能增长光子的传播过程（这样会提高灵敏度）。基于当前镜片的反射率，他们希望光线能在管道中上下反射130次。每次沿管道臂前进或返回，两束激光光波都必须严格同步，时刻保持“同相”。要做到这一点，必须精确控制好时间。系统软件要知道精确的时间，以确保系统的每一个部件都保持同步。就像人的心脏停止跳动一次一样，时间不统一也会带来麻烦。当光波由于镜片移动而不同步时，系统就会施加一个力来保持光程不变。也就是说，一块镜片被引力波推动后，控制系统就会依照程序指令把它拉回原处，引力波信号实际上就隐藏在这些动作中。有了保持光程不变所施加的外力，干涉仪实际上也就记录下引力波了。为抵消引力波效应而做出的机械运动，也反映了引力波自身的强度和频率。

LIGO已经请系统控制工程领域的专家们开发出了一套反应系统。“我们还碰到了一个十分特殊的情形，”扎克说，“一听到我们要建这么一个东西，所有系统控制的工程师都垂涎不已。”镜片位置的微调是由很小的磁铁来完成的。每块镜片上都附有6块比蚂蚁还小的磁铁——后面4块，侧面2块。这些磁铁是由稀土金属制成的，别看个头小，磁场强度却都很大。要想让镜片向前歪，就推顶端的磁铁，拉底部的磁铁。要想偏转，就推右侧面的，拉左侧面的（或者相反）。要想调节光程，干涉仪可以直接推拉所有4块背部磁铁。通过这些步骤，镜片们的移动幅度最大可达20微米，最小为10^-18米。科学上其他领域从来都没有过这么精细的动作。

一束红外激光（1）进入干涉仪，通过分光仪（2）后变成两束光。每束都分别沿着一条管道臂射出，并在中心镜（3）和端镜（4）之间来回反射很多次。最后，两束光射出管道臂，重又汇合。如果有一个引力子经过而改变了光程的话，光电探测器（5）将会探测到两束光合并后产生的图像的变化

模拟

在粒子物理实验中，物理学家们常常要寻找特定的离散事件。加速器里，粒子在生命的尽头发生碰撞，爆发出的能量一部分立刻又转化为新的粒子，而碎片则要被筛选掉。粒子物理这么长的历史，已经给了物理学家把真假事件区分开来的敏锐感觉。而在引力物理中，研究人员要处理的却是一连串的未知数据。从何处入手？还从不曾有人见到过引力波，你又怎样识别它呢？

LIGO将在一定程度上依赖模拟来指引通向科学的道路。研究人员开发了一系列可以模拟像地震、热噪声和散粒噪声这样已知的干涉源的程序。LIGO的研究人员们就像检查病人所有症状的医生一样。当第一次开机工作时，LIGO产生的噪声将会比应该达到的噪声水平高100万倍。模拟措施会帮助他们准确定位最初的噪声源，弄明白原因到底是镜片方向没有对准，还是电缆线的噪声。指挥模拟过程的山本博章说：“仪器上到处都是诊断探针。”过一段时间他们就会弄清楚探测器的“特质”了，并给它编出一张特征噪声表来。而根据理论，引力波信号将不同于所有这些噪声信号。

山本博章的工作起先是超导超级对撞机的模拟。他说：“我花了一定的时间来端正自己的常识，即如何理解引力波物理中的某一事件。”但两者还是存在一些共同点的：无论在粒子物理实验中，还是引力波探测领域，科学家们都必须搞明白下至螺钉螺母这样的小零件的作用，才能把背景噪声和信号区分开来。“然而，在引力波探测中，我们还不知道背景噪声，”山本博章说，“人们已经仔细考虑过可能的噪声和探测到的噪声了。但是，如果把这些噪声都消除的话，谁也别想知道噪声里隐藏了什么，又留下了些什么。这就是困难所在。我们正努力在密林中寻找一颗宝石。”

数据分析

学会如何处理引力波天文台输出的大量数据，几乎赶得上建造整套设备的工作量了。整个LIGO到处都装有传感器，它们不停地向外输出反映探测器各种状况的数据，也包括可能接受到的信号。这些传感器帮助研究人员们了解激光噪声（可能被误以为引力波的光强或频率的改变）、电磁干扰或者任何可能晃动实验物体的地球或大陆现象，比如地震或强度特别大的噪声。数据源源不断地从地震检波器、地面斜率测量仪、磁力计、气象站宇宙射线探测器流出。尽管实验表明普通的办公噪声并不一定影响到系统，但“关门时的咣当声和冲马桶的声音，无疑都可能影响到实验物体”。艾尔伯特·拉扎里尼这样说。这些数据是通过数千条独立通道同时采集的，就像拍电影一样去跟踪某一事件。每一帧都是某一时刻的快照——包括引力波信号和所有的信号噪声。在每个基地里，这些信息都以600万字节每秒的速度源源不断地流出，一天24小时从不间断。家用电脑的硬盘几分钟就能写满了。一年3100万秒，每台干涉仪平均能采集500万亿字节（500000GB）的数据。一经采集，它们立刻就被传送到计算机中心去，并在那儿筛选、压缩，最终刻录在磁带上。LIGO每年光花在磁带上的预算就高达10万美元之巨。之后这些磁带被送往加州理工学院分析存储。数据都是以标准格式存储的，这种格式也用于世界上其他引力波天文台，以便于天文台之间交换对比数据。这对于确认可能的引力波信号来说十分重要。

镜片们自身的动作是由激光来监测，并通过一个特殊的通道——引力波通道来记录的。这个通道的数据还不占总数据的百分之一，但如果有引力波经过的话，只能通过这个通道的数据来发现它。不像光学望远镜，LIGO也无法得到引力波源的美丽图像。可见光波长与星云、恒星和星系等波源的尺度相比，很小很小。这种光波能够刺激接收器，也就是相机胶卷，产生天体的图像。而引力波波长往往能赶得上甚至超过波源的尺度。比如，频率1000赫兹的引力波，波长就是300千米。这样的信号是属于音频范围的。事实上，你可以像罗伯特·福沃德用他早期的马利布探测器探测时那样，亲耳聆听电子仪器记录下来的引力波信号。一些LIGO成员也曾用这种方法分析过加州理工学院干涉仪原型刻录的磁带。“听起来像一种嘶嘶声，”数据分析小组的负责人拉扎里尼说，“事实上，由于镜片是悬挂着的，每一声嘶嘶响都意味着镜片的震颤。这个挺神秘的，有点儿像鲸鱼的歌声。”

然而，是电脑在筛选LIGO的数据，而不是人耳。从一堆杂乱无章的数据中挑出某个特定信号的工作，并不是什么新玩意。这种工作尽管颇有难度和挑战性，但跟海军声呐专家从众多噪声中找出潜艇的声音很类似。实质上，数据流传入时，会与一个特定的“模板”进行比较。这个“模板”就是理论上引力波信号的数据，例如两颗绕彼此旋转的中子星，当然，这个系统发出的引力波，其特征将取决于中子星的质量和它们相对于地球的方位。所以，可能的波形有很多种。为了获得更好的观测结果，LIGO将不得不夜以继日地拿自己的数据与20000～30000种波型进行对比，不同的波形代表着不同方位、不同质量的天体传过来的引力波。幸运的是，现在计算机的速度已经足够快，能够完成这个任务了。单单一个商业工作站就能完成500～1000个波形的实时对比工作。LIGO为每台干涉仪都连有几十个这样的工作站，从而构成了一个负责探测器探测工作的主机。“它们将每时每刻都在运行。”拉扎里尼说。如有可能的信号出现，计算机将把它与环境和仪器通道的数据进行对比，看它是不是来自地面的噪声。

两台探测器都在不停地对比时间、波形的相似度和当地干扰信号（来排除假符合），借此来监视某些种类的不可重复事件——比如超新星爆发或者伽马爆。一经发现可疑信号，LIGO立刻就在利文斯顿和汉福德完成它们的确认工作。很快科学小组们将重新考察这个证据，可能在不出一天的时间里就完成复查工作了。如果证实了是真的，他们将通报天文学界去检查各自的探测数据，尽可能提高捕捉到来自这种瞬时现象的电磁辐射的可能性。

拉扎里尼说，真正的挑战将是寻找脉冲星与众不同的持续信号。这种更弱的信号将会埋没在相当于一整年数据量的数据中。“但是，如果最强的引力波信号是偶尔来到的呢？又会怎样？你必须确认那不是放大器或破损天线的问题。”拉扎里尼说。这些不期而至或毫无规律的信号，将是最难的部分，“但最大的惊喜和最有意义的发现也将出自于这些信号”。拉扎里尼补充说。

现在，在管理、架构和复杂性等方面把LIGO比作一个高能物理工程已是十分稀松平常的事了。而且关键的管理人员，像巴里希和LIGO的副主任盖里·桑德斯，长期以来从事的都是高能物理方面的工作。“某一天我正在一个1000人的组织中工作，负责超导超级对撞机探测器中的一个。而第二天我们就关门了。”桑德斯说。加入LIGO时，桑德斯在粒子物理方面的感觉很敏锐，这是在研究生阶段积累下来的。他解释说：“在这儿你是小组中的一分子，人人平等，都在为建造一台更大的仪器设备而努力。”而他原来负责的那台仪器是运行十分成功的早期粒子加速器的自然演化结果，这个领域的版图已经绘制得十分完善了。然而，在引力波探测领域，即便是老手，也没有这样的历史经验来借鉴。在当时，还不曾有激光干涉仪进行过长达数天的持续观测，也没有探测到任何信号（尽管平心而论，在早期的工程试验中也没人奢望能探测到信号）。LIGO的科学家们大步跨越实验室，直接走向了大型工程。臂长4千米的LIGO，在尺寸上要比以往的探测器大了上百倍。“这是一个令人兴奋而又无法阻挡的转变，”桑德斯说，“无法阻挡是因为这是一套全新的装备。而我之所以参加这个工程，是因为这方面‘很时髦’。透过一个全新的窗口来探索我们的宇宙，这样的机会几乎具有一种传奇式的吸引力。”

引力波干涉测量还很年轻，参与进来的研究人员们都来自于各种不同的背景。从普林斯顿来到加州理工学院的太阳物理方面的专家肯·利布里切特^[77]，在与迪克共事一段时间后就迫不及待地从太阳振动转向了时空的振动。他说：“在这儿，加州理工学院的礼堂里，我四处一看，周围全是LIGO的人，于是就决定加入进来了。”这项挑战也吸引了世界各地的年轻物理学家。LIGO数据分析小组的一名成员瓦利德·马吉德，就是20年前苏联入侵阿富汗时，随父母移民过来的。他原来学的是高能物理，曾在斯坦福线性加速器和布鲁克海文国家实验室做过粒子探测方面的工作。然而，他还是乐于转移研究方向。“物理学的标准模型十分成功，这不再是一个意外发现俯拾皆是的年代了，”他说，“现在的实验不过是在追逐事物本质的细节而已。”他想转到一个还会有惊喜出现的物理领域去。他想在LIGO建立起一个满满当当的数据库后，从磁带中找到像脉冲星与众不同的周期信号这样的特殊事件。他希望能发展出一种新技术，来辨别并放大脉冲星这种特定频率的“哭声”。

比普拉卜·巴瓦尔是从印度来到LIGO的，工作内容是探测器的计算机模拟。刚开始他学的是电气工程，后来又去攻读量子场论方面的博士学位。但很快他就觉得，这个奇奇怪怪的课题不可能会在自己有生之年被证实了。在注意到《天体物理学杂志》上的一篇休斯—泰勒脉冲双星方面的论文后，他决定从事引力波方面的研究，尽管朋友们曾警告他“探索引力波就像在一间黑屋子里寻找一只根本不存在的黑猫一样”。工程学背景帮了他大忙，他写了一篇如何通过特定方式来操作激光，从而降低散粒噪声的论文，并引起了注意，于是就加入了这个新工程。或许他是注定要这样做的。他的名字比普拉卜，是由一位有着政治思维的叔叔给取的，原意就是“革命”。

塞拉普·提拉夫来自土耳其，她是在特拉华州和威斯康星州的大学里做了一段时间粒子天体物理学方面的实验后，才来到LIGO的。读博士后期间，她曾在南极深厚的冰层下面安装了探测器来捕捉来自太阳的中微子。“做中微子天体物理学方面的研究时，我是在与位居能谱图上位置很高的粒子们打交道，它们的能量都是万亿或百万亿电子伏的量级。现在与引力波打交道时恰恰相反，我是在能谱的低端转悠。”她微笑着说。她正坐在办公桌旁，一边研究电脑屏幕上可能出现的信号的图案，一边谈论自己学习仪器的心得体会。“理论家们常常谈论中子星碰撞。他们说，当中子星们合并时，你就会看到这种特殊的信号。事实上并不是这样的。当你走到一个从来都没有人去过的地方时，你确实不知道接下来会发生什么。所以，我们应该加强自己在探测器特征方面的知识，做到一出现异样我们就会问：‘那是什么？’”她在南极做中微子实验时碰到过这种情况：探测到的数据与预期的完全不同。研究人员没有充分考虑冰的影响。事实上，在这种极地环境中，冰的性质和影响是个未知数。研究人员必须考虑冰的性质而进行校准，这就会给粒子反应带来影响。“转到引力波方向，我又感觉到年轻了许多，”她说，“就像重过一遍学生生活一样。”

LIGO不仅仅是一个实验，它还是不断发展着的新技术的一个研究个案。这座打前锋的天文台需要大量的新材料和新设备来设计和建造。而各项研究也都在马不停蹄地进行着。早在建造最初的探测器时，全球各地的实验室已经着手研究下一代仪器设备了。LIGO的科学协作组同时负责这项研究和开发新技术。这个协作组已经远远超出了MIT和加州理工学院两校的范围，其中的成员还包括桑尼来自莫斯科的同事、德莱弗在格拉斯哥的前研究小组、德国和澳大利亚的研究小组，还有来自斯坦福大学、宾夕法尼亚州立大学、锡拉丘兹大学的科学家们，以及来自科罗拉多州、佛罗里达州、密歇根州、俄勒冈州和威斯康星州各大学的科学家们。他们分散在研究新材料、提高激光器性能和测试新的隔振方法等各个领域。

LIGO将会升级。工作人员们时刻不忘提高LIGO的灵敏度。比如，仅把LIGO的灵敏度提高1倍，它所能探测的距离就会增大1倍，但这也意味着LIGO能够探测到的宇宙空间的总体积将增加7倍。于是，能够探测到的天文事件将会是原来的8倍。他们希望更高级的探测器——LIGO二号的灵敏度——探测到其他信号源的能力——会提高到原来的10～15倍（能够探测到的应变将从最初的10^-21降为10^-22或更小）。这就意味着能够探测的宇宙体积是原来的1000～3000倍。“这样，探测到像黑洞碰撞结合这样的河外天文事件的概率就增大了1000倍。一下子就从10年碰到一次变到3天就能碰上一次了，头疼不已的事情一下子就豁然开朗了。无论多么小的收获都很重要。”利布里切特指出了意义所在。但LIGO的整体性能，是由各种不同噪声源的减弱效果综合起来决定的，而不是降低一两种噪声就能改善得了的。“就像跳林波舞^[78]，”利布里切特说，“你必须降低所有的水平杆。”

结果，LIGO一直都在不断前进着。哪怕一个探测器元件的改进都很关键。就拿制作镜片的材料来说吧，熔融石英就是最合适的吗？另一个选择是蓝宝石，这种材料也有自己的优点。首先，它的反射率高。但这种光学特性还不是蓝宝石入围的真正原因，最重要的是它的力学特性。蓝宝石的Q值要比硅高10～100倍，这就意味着在一个很窄的频率范围内，它共振的持续时间会更长，因为它的密度更大、刚性更强。这么高的Q值可以把激光干涉仪的热噪声降为原来的1/10。但从来还不曾有人打磨过一块像LIGO镜片一样大的蓝宝石，这还是一个未知数。LIGO的成功就是基于大量这种细节上的考虑：测试物体材料的选择、激光的类型、隔振的方法等。科学总是在考虑到大量工程上的细节之后才来到的。如果选择了蓝宝石的话，LIGO的研究人员们必须首先要弄明白怎样悬挂它才不会削弱它的首要优势——高Q值。每个决定都会影响到一连串其他决定，像没有尽头的多米诺骨牌一样。

是什么让LIGO的研究人员在这铺天盖地的细节处理中坚持下来了呢？“有的人就是喜欢解决这些技术挑战，”彼得·索尔森回答说，“就像中世纪大教堂的建设工人们一样，尽管明知自己看不到教堂的落成，却仍乐此不疲。但如果此生看到引力波的机会一丁点都没有的话，我是不会坚守在这个领域的。这并不只是一个诺贝尔奖热门领域。我研究生刚刚毕业时，选择这条路或许很冒险，但现在看来，这是个明智的选择。我们正在努力争取的精确度水平是我们事业的标志；干这一行的话，你就‘走上正道’了。”

引力波探测效率的预期值

LIGO能够探测到的黑洞的质量应该小于几十个太阳的质量。黑洞的质量大于中子星，从而引力波信号更强，也更容易探测到。未来的改进会使LIGO的灵敏度提高10～15倍。这些改进措施包括：更换一台功率更大的激光器、更换性能更好的地震缓冲设备、使用二氧化硅线路和纯蓝宝石镜片。LIGO一号只能在3亿光年范围内探测到黑洞合并，LIGO二号却将把探测范围扩展至60亿光年。上表所列数据的范围都很大，是因为它们都是由理论假设推测出来的，所有的参数都只有在探测到有意义的结果后才能确定下来

于1981年在普林斯顿完成天体物理学博士学位后，索尔森读了马丁·哈威特写的一本名为《宇宙大发现》的书。书中强调，天文学关键性的发现常常是在科学家们有了新式仪器来观测宇宙之后来到的。带着这个信念，索尔森希望能跟着怀斯做宇宙微波背景辐射方面的研究。不过怀斯没钱再招一个助手做这个工作了，但他引力波探测方面的经费却很充裕。关于当时的情景，索尔森说：“我记得自己是这样想的：‘看起来很冒险哎，就做这个吧！’”

索尔森在MIT帮助怀斯完成了LIGO的第一个规划。但时隔8年后，他建立了自己的实验室，位于在引力研究方面有着悠久历史的锡拉丘兹大学校内。那是一座典型的物理实验室，在房间的一端架着一排齐腰高的木板，上面堆放着科学实验中常用的七七八八的东西：笔记本、各种手册、电线、螺丝、软盘，还有铝条等。索尔森还给实验室添加了几分艺术格调，他在墙上挂了一幅16世纪中国书画家唐寅的字画。画中远山巍峨，水阁茅舍一间，临窗一位儒士正在眺望远方；左侧题有一首中国古诗，大意为：“吃下安静的蘑菇，灵魂会渐渐飞升。”^[79]这幅画是乱糟糟的实验室中唯一清静的孤岛。

索尔森工作的内容是设法降低激光干涉仪的热噪声。很多人都认为这是该领域最具挑战性的问题。在这个问题上，他是一位世界级的专家。在锡拉丘兹大学校内物理楼的地下室里，他和助手们——那时候还都是研究生和博士后——正测量着LIGO镜片悬挂系统所用材料的内摩擦。测量的方法共有两种。一种方法是给材料一个刺激，看它的振动能够持续多长时间，就像敲锣一样。另一种方法是挤压材料，看看每种材料各需多长时间才能恢复到原状态；材料的内摩擦越大，恢复所需的时间就越长。为了找到适于制作吊线的材料，他们测试了钢铁、钨、玻璃和金刚石光纤等材料。而制作镜片的可选材料包括各种玻璃、熔融石英和蓝宝石。

第一代LIGO悬挂镜片的材料选用的是钢丝。如果用玻璃纤维的话，噪声将会减弱10倍，但他们还不能熟练掌握这种材料。索尔森的实验室也正在测试这种材料。这个测试是在一个大号垃圾桶一样的圆柱形真空仓里进行的，仓直径为46厘米。此刻仓是开着的，而且已经被屋顶的起重机给吊了起来。整个实验还停留在正下方的桌面上，研究生安德里·格雷塔森刚把一根30厘米长的熔融石英丝挂上，做好了“拨拉”的准备。一旦石英丝受激振动，真空仓里的回响将会持续好几个小时，甚至一整天。而现在让他倍感困扰的问题是，如何“拨拉”石英丝。对于金属线来说，他可以用静电装置给它轻轻施加一个推力。但他担心这个办法对于脆弱的石英丝来说并不适用，因为它将被吊在真空仓里，声波传不进去。现在他们能够测量的石英丝振动的振幅已经小到千万分之一米了，但要想看到石英丝体内的热运动，他们还得把能够探测到的振幅降至这个值的万分之一。索尔森说：“大部分情况下，困扰实验物理学家们的是仪器的使用。可稀罕的是，让我们头疼不已的倒是仪器自身。”

像位于夏威夷的两座凯克天文望远镜和哈勃太空望远镜这样的新式光学望远镜，在投入使用后，常常会带有庆祝意味地去看“第一眼”，即望远镜打开并拍下第一张照片。LIGO的开场可没有这么精彩，因为它在工程上和光学上过于复杂，在三台干涉仪——汉福德两台，路易斯安那一台——都能正常运行，并且一天24小时都能联网之前，它还需要进行几年的调试、试用。在这之后，也只有在这之后，引力波的探测工作才能真正展开。LIGO的研究人员们承认，他们的第一批探测器可能什么都探测不到。“某种程度上来说，我们还不够专业，”怀斯说，“我们只求所有的决定都正确，这就够了。”在做COBE卫星方面的研究时，怀斯从来都不曾像这样忧心过，因为COBE不过是在老式测量仪器的基础上进行了改进而已，某种程度上人人都知道该怎么做。而引力波天文学却还是一片处女地。这个领域要考察的效应，科学家们从未直接探测到过，但他们已经为之建造了探测设备。怀斯担心一旦失败了，这个领域将会在很长一段时间内停滞不前。在批评者们看来，LIGO技术上的可行性还没有得到证实，建造还为时过早。然而，支持者们认为不建造一套全尺寸设备进行一些初步测试的话，就不可能找到解决问题的办法，所以要建造LIGO。现在，这套探测器只有很小的机会能探测到看似很确定的唯一一种引力波源：绕彼此旋转的两颗中子星。但如前所述，LIGO被称为一座“天文台”，并不是毫无道理的。它的建造者们并不只是想单单做一个实验，而是要在接下来几十年里一直使用它，就像加利福尼亚帕洛马山上500厘米口径的天文望远镜一样，这台望远镜自1948年以来一直都在使用并在不断升级。随着时间的推移和科技的发展，LIGO也将会进行改进，探测到引力波的概率也将不断上升。美国决定建造LIGO对其他国家来说也是一个重要的信号，它们也会加快推进自己的引力波天文台计划。如果当初LIGO没有争取到资金支持的话，很可能会影响到全世界其他类似设备的建造。LIGO项目的确立，给全球引力波探测网的建立也带来了动力。