Lance A.Davis

Senior Adviso r, US National Academy of Engineering

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科學(xué)與工程學(xué)的勝利

Lance A.Davis

Senior Adviso r, US National Academy of Engineering

2016年2月11日，激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)宣布，他們于2015年9月14日觀測(cè)到十億年前兩個(gè)黑洞相互碰撞而產(chǎn)生的引力波。此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)證實(shí)了愛因斯坦廣義相對(duì)論中的預(yù)言，即時(shí)空扭曲波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生“漣漪”，也就是我們所說(shuō)的引力波。當(dāng)然，只有在發(fā)生超級(jí)能量事件時(shí)，比如兩個(gè)中子星或兩個(gè)黑洞相互碰撞，所產(chǎn)生的“漣漪”才大到可以被觀測(cè)到。這次LIGO發(fā)現(xiàn)的引力波正是兩個(gè)黑洞相互碰撞形成的，這同時(shí)也成為黑洞確實(shí)存在的第一個(gè)直接證據(jù)。此發(fā)現(xiàn)隨后被《科學(xué)》①http://science.sciencemag.org/content/351/6274/645 http://www.nytimes.com/2016/02/12/science/ligo-gravitational-waves-black-holes-einstein.html?emc=edit_th_20160212&nl=todaysheadlines&nl id=35255817、《紐約時(shí)報(bào)》①和《自然》②http://www.nature.com/news/gravitational-waves-how-ligo-forged-the-path-to-victory-1.19382?WT.ec_id=NATURE-20160218&spMailingID=50720412 &spUserID=MjA1NzU4MzExNwS2&spJobID=862152809&spReportId=ODYyMTUyODA5S0 https://www.ligo.caltech.edu/page/ligo-technology等多家媒體廣泛報(bào)道。

愛因斯坦的理論發(fā)布于1915年，從那以后，引力波及其直接觀測(cè)就一直是人們關(guān)注的話題。1974年，馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的泰勒教授(Joseph Taylor)和他的學(xué)生赫爾斯(Russell Hulse)發(fā)現(xiàn)了引力波存在的間接證據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)由兩顆質(zhì)量大致與太陽(yáng)相當(dāng)?shù)闹凶有墙M成的脈沖雙星系統(tǒng)，其中一顆中子星是脈沖星。通過(guò)計(jì)算脈沖星的射電脈沖周期，他們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)星體正在以非常緩慢的速度呈螺旋形環(huán)繞相互靠近。這驗(yàn)證了人們所期待的結(jié)果：當(dāng)兩個(gè)致密星體近距離彼此環(huán)繞時(shí)，會(huì)因輻射引力波造成系統(tǒng)能量減少，從而使軌道半徑變短。泰勒和赫爾斯也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但是，科學(xué)家們一直難以發(fā)現(xiàn)引力波存在的直接證據(jù)。不過(guò)這并不意外，因?yàn)楦鶕?jù)理論計(jì)算，如果LIGO要探測(cè)到引力 波，那么引力波振幅的探測(cè)精度就要達(dá)到10–21。能達(dá)到這一測(cè)量精度本身就是工程學(xué)的一次偉大勝利。

這次LIGO的實(shí)驗(yàn)及觀測(cè)臺(tái)的構(gòu)思、設(shè)計(jì)和推動(dòng)建設(shè)是由加州理工學(xué)院的基普·索恩(Kip Thorne)教授和羅納德·德雷弗(Ronald Drever)教授，以及麻省理工學(xué)院的雷納·韋斯(Rainer Weiss)教授共同完成的。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)自1972年起開始為項(xiàng)目提供資助，總共花費(fèi)約11億美元。兩個(gè)引力波探測(cè)器中的一個(gè)位于美國(guó)路易斯安那州，另一個(gè)位于美國(guó)華盛頓州。每個(gè)探測(cè)器安裝有兩根臂長(zhǎng)為4 km、直徑為1.2 m的真空管道，形成激光干涉儀。然后將一束激光用分光鏡分成相互垂直的兩束，兩束激光分別被4 km外的反射鏡反射回來(lái)并發(fā)生干涉，這樣的反射可以來(lái)回進(jìn)行多次。在正常情況下，這兩束激光的相位應(yīng)該是完全相同的，因此在出口處的光速探測(cè)器檢測(cè)不到信號(hào)；但是如果引力波通過(guò)了實(shí)驗(yàn)儀器，那么一個(gè)方向的空間便會(huì)被拉伸，而與之成一定角度的另一個(gè)方向的空間則會(huì)被壓縮，出口處的光速探測(cè)器便能檢測(cè)到信號(hào)。在這次觀測(cè)中，信號(hào)的頻率在35~250 Hz，而這個(gè)過(guò)程僅持續(xù)了0.25 s。這次實(shí)驗(yàn)的難得之處在于為了能檢測(cè)到如此微弱的引力波的信號(hào)，實(shí)驗(yàn)儀器必須十分復(fù)雜和精密。

LIGO的主要元器件包括隔震系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、運(yùn)算系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)等，均在LIGO網(wǎng)站②http://www.nature.com/news/gravitational-waves-how-ligo-forged-the-path-to-victory-1.19382?WT.ec_id=NATURE-20160218&spMailingID=50720412 &spUserID=MjA1NzU4MzExNwS2&spJobID=862152809&spReportId=ODYyMTUyODA5S0 https://www.ligo.caltech.edu/page/ligo-technology上有簡(jiǎn)要介紹。

每一部LIGO實(shí)驗(yàn)儀都非常靈敏，可以檢測(cè)到從幾百到幾千英里距離外的震動(dòng)。它們均采用主動(dòng)系統(tǒng)(類似于消除噪音的耳機(jī))和被動(dòng)系統(tǒng)來(lái)消除噪聲。將傳感器調(diào)到特定的頻率用來(lái)感應(yīng)地震活動(dòng)，感應(yīng)到的信號(hào)被傳到一個(gè)驅(qū)動(dòng)器上并產(chǎn)生反向運(yùn)動(dòng)。鏡子被懸掛在隔離驅(qū)動(dòng)器上。被動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)四級(jí)懸臂系統(tǒng)，該系統(tǒng)用直徑為0.4 mm的熔融石英光纖懸掛著重達(dá)40 kg的鏡子(圖1)。

LIGO真空系統(tǒng)是世界上第二大真空系統(tǒng)。它不僅可以防止由太陽(yáng)光照射引起的鏡子變形和氣流對(duì)光束產(chǎn)生的影響，還可防止光束受到塵埃影響。經(jīng)過(guò)40天的抽氣，真空系統(tǒng)的壓強(qiáng)達(dá)到10–12標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

LIGO的光學(xué)系統(tǒng)由激光器、面鏡和光電探測(cè)器組成。激光器是一個(gè)四級(jí)系統(tǒng)，第一級(jí)由激光二極管發(fā)出功率為4 W、波長(zhǎng)為808 nm的激光。在第二級(jí)中，激光束進(jìn)入到一個(gè)非平面環(huán)形振蕩器中，激發(fā)出2 W、 1064 nm的釹離子激光。在第三級(jí)，通過(guò)放大器，激光從2 W放大到35 W。在最后一級(jí)中，光束被大功率振蕩器放大到200 W (1064 nm)并射入到干涉儀中。鏡子由非常純凈的熔融石英制作而成，其理論尺寸和實(shí)際尺寸之間的誤差精確到原子。這種精確十分重要，因?yàn)槊恳皇舛家阽R子里來(lái)回反射，經(jīng)過(guò)1600 km后重新會(huì)合。

LIGO系統(tǒng)的運(yùn)行由電腦控制，電腦每天產(chǎn)生數(shù)太(TB)字節(jié)的信息，這些信息都要被儲(chǔ)存在電腦里。加利福尼亞理工學(xué)院的存檔已經(jīng)有4.5拍字節(jié)(PB)的信息，并且每年的信息都會(huì)增加0.8 PB。為了分析2015年秋季LIGO的觀測(cè)數(shù)據(jù)，還需要使用非常強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其計(jì)算能力相當(dāng)于現(xiàn)代的一臺(tái)四核筆記本電腦運(yùn)行1000年。

圖1.設(shè)備解剖圖。（由加利福尼亞理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院和激光干涉引力波天文臺(tái)實(shí)驗(yàn)室提供。）

在愛因斯坦最初作預(yù)言的時(shí)代，科學(xué)家還沒有辦法對(duì)引力波進(jìn)行直接測(cè)量。50多年后，隨著光學(xué)、傳感器、驅(qū)動(dòng)器等技術(shù)水平的提升，索恩(Thorne)等預(yù)測(cè)了檢測(cè)引力波的存在是可能的，而真正實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿望是在工程科技水平又發(fā)展了50年后。因此，此次發(fā)現(xiàn)得益于歷史上很多科學(xué)技術(shù)的重大突破，幾乎貫通了整個(gè)材料、機(jī)械、激光、光學(xué)和計(jì)算機(jī)等重大技術(shù)的發(fā)展歷程，包括關(guān)鍵性技術(shù)突破，如激光的發(fā)明、固態(tài)激光材料的演化、集成電路的發(fā)明、難以置信的電腦芯片晶體管密度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的劇增以及更快速、更便宜的電腦的出現(xiàn)等。如果沒有這些重大突破，測(cè)量?jī)x器既不能被制造得如此精密，人類也承擔(dān)不起建造的高昂費(fèi)用。這其中的細(xì)節(jié)遠(yuǎn)不是一篇短文可以敘述的。舉這些例子是為了讓人們更深刻地意識(shí)到科學(xué)和工程技術(shù)進(jìn)步的重要性，其重要性本身是不言而喻的。

本次專刊回顧了中國(guó)工程院、美國(guó)工程院和英國(guó)皇家工程院三方于2015年9月在北京聯(lián)合主辦的第二屆全球重大挑戰(zhàn)峰會(huì)的成果。2007年由美國(guó)國(guó)家工程院委員會(huì)宣布的人類面臨的“14項(xiàng)重大挑戰(zhàn)”中的一項(xiàng)是“制造設(shè)計(jì)用于重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的工具”。建造哈勃太空望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)較早的典型例子，還有火星探測(cè)器“漫步者”的發(fā)明，而LIGO引力波探測(cè)儀正是人類迎戰(zhàn)挑戰(zhàn)的最新的成功范例。

2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(1): 2-3

Lance A.Davis.A Triumph of Sciend—and Engineering.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.001