欢 迎 访 问 卢 昌 海 个 人 主 页

除了自己的无知,
我什么都不懂。

-苏格拉底

 
信 息
 
 
 
已发表作品列表
站长简介 | 常见问题
版权说明 | 电子信箱
 
统 计
 
 
 
自 2017-06-05 以来
本文点击数
1,901
自 2008-02-01 以来
本站点击数
16,629,675
昨日点击数 5,189
今日点击数 3,581

时空的乐章——引力波百年漫谈 (八)

- 卢昌海 -

上一篇 | 返回目录 <<

十. 韦伯的 “大棒”

不知有没有读者注意到, 我们的引力波漫谈进行到这里, 出场的人物已不少, 却没有对任何一位的生平作介绍。 这是有缘故的, 那缘故就是: 迄今出场的人物要么是配角——比如罗森、 英菲尔德、 罗伯逊等; 要么已著名到了无需介绍的程度——比如亚里斯多德、 伽利略、 牛顿和爱因斯坦。 在本节中, 我们将首次迎来一位需要并且值得介绍生平的人物。

此人便是 上节 末尾所提到的美国物理学家韦伯。

韦伯之所以值得介绍, 是因为在引力波的研究中, 他是一个阶段性的核心人物, 而且以他为核心的那个阶段是引力波探测的开创阶段, 因而他这位阶段性的核心人物同时也是引力波探测的先驱人物。 韦伯之所以需要介绍, 则是因为他的知名度几乎仅限于引力波探测这一特殊领域, 一旦离开该领域, 则别说是对于公众, 哪怕对物理专业的人士来说, 也并不著名, 因而需要介绍。

韦伯 (1919 – 2000)
韦伯 (1919 – 2000)

好在韦伯的经历有精彩乃至惊险的一面, 介绍起来并不乏味。

韦伯 1919 年出生, 1940 年毕业于美国海军学院 (United States Naval Academy), 专业不是物理, 而是工程学。 由于就读的是海军学院, 毕业又恰在第二次世界大战期间, 韦伯顺利成章地进入了海军, 在列克星敦号航母 (USS Lexington) 上服役, 一度驻扎在即将遭受日本突袭的珍珠港 (Pearl Harbor)。

不过侥幸的是, 在日本突袭珍珠港之前不久, 列克星敦号航母恰好奉命离开珍珠港, 从而躲过了厄运。 可惜好景并不太长, 一年半之后的 1942 年 5 月, 在惨烈的珊瑚海海战 (Battle of the Coral Sea) 中, 列克星敦号航母最终还是在劫难逃, 遭重创后自沉。 但韦伯名列于幸存者之中, 再次躲过了厄运。

大难不死的韦伯继续在海军服役, 先后被派往加勒比和地中海, 参加过西西里岛登陆战 (Invasion of Sicily), 也从事过电子器件方面的学习和研究, 直至 1948 年退役。

退役后的韦伯被马里兰大学聘为电子工程学教授。 在当教授的同时, 他继续深造, 并且凭借微波光谱学领域的研究, 于 1951 年获得了博士学位。 1952 年, 韦伯在一次电子管研究会议上提出了 “微波激射器” (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 简称 MASER) 的工作原理, 成为提出这一原理的第一人。 这是一项 “诺奖级” 的工作, 比他稍晚提出这一原理的三位物理学家——美国物理学家汤斯 (Charles H. Townes)、 苏联物理学家巴索夫 (Nikolay Basov) 和普罗霍罗夫 (Alexander Prokhorov)——后来分享了 1964 年的诺贝尔物理学奖。 当然, 那三人的获奖及韦伯的默默无名倒也并非 “天道不公”, 因为那三人不仅独立提出了微波激射器的工作原理, 而且制造出了微波激射器, 而韦伯虽早已有教授头衔, 在科研上却还是初出茅庐, 只具有 “纸上谈兵” 的能力——用他自己的话说, “在某种意义上讲我还只是个学生, 不知道世界是如何运作的。”

不过, 那项研究展示出韦伯有不俗的实力。

韦伯转向引力波探测是在 20 世纪 50 年代的中后期。 那一时期他在普林斯顿高等研究院等处作过逗留, 受著名广义相对论专家惠勒等人的影响对引力理论产生了兴趣。 1959 年, 韦伯的一篇有关引力波的论文获得了美国企业家巴布森 (Roger Babson) 设立的针对引力研究的悬赏, 获奖金 1,000 美元, 进一步巩固了他的兴趣[注一]

韦伯转向引力波探测从某种程度上讲是他在海军服役时的工作的延续和延展, 因为他当时的职责之一是操作雷达及负责导航, 其物理实质就是探测电磁波。 从探测电磁波到探测引力波, 可以说是一种颇为有序的兴趣发展。 “如果你能建造电磁天线来接收电磁波, 你或许也能建造引力波天线来接收引力波”——韦伯如是说。

在决定 “建造引力波天线来接收引力波” 之前, 韦伯对引力波探测的方案作了相当系统的考虑, 积累了 1,000 多页的设计笔记。 他所考虑的方案同时涵盖了我们 上节 提到的迈克耳逊干涉仪与共振质量探测器这两种类型。 在后者中, 则包括了将地球本身当成接收天线以及在月球上建探测站之类的宏伟构想。 但限于当时的技术水准及他自己在申请项目等方面的能力, 最终选择实施的是尺度比较 “迷你” 的共振质量探测器——即所谓的 “建造引力波天线来接收引力波”。 韦伯的努力吸引了几位合作者的参与, 他们是: 齐泼埃 (David M. Zipoy)、 福沃德 (Robert L. Forward)、 伊姆利 (Richard Imlay) 和辛斯基 (Joel A. Sinsky)。

我们在 上节 中介绍过, 共振质量探测器的基本原理是用共振放大引力波造成的探测臂振动。 但原理虽然简单, 实现起来却不容易, 因为引力波造成的探测臂振动哪怕在放大之后也依然微乎其微, 依然比原子核的线度还小, 用什么办法才能探测这么小的振动呢? 韦伯想到了压电晶体 (piezoelectric crystal), 这是一种能将压强——包括振动产生的压强——转为极化, 既而产生电信号的晶体。 利用这种晶体, 探测引力波的崭新而艰巨的任务就可转化为探测电信号这种虽依然艰巨, 但很常规的工作。

在韦伯最初的构想中, 整个探测臂都被设想为使用压电晶体。 但那样一来, 共振质量探测器就失去 “迷你” 的优势了——因为对于韦伯打算探测的频率范围来说, 兼有共振器作用的探测臂的尺度需在 “米” 的量级, 质量则在 “吨” 的量级, 这些本身都并不惊人, 但作为压电晶体的块头却绝不 “迷你”, 甚至足以成为技术和资金瓶颈。 好在韦伯很快就意识到那是不必要的, 探测臂本身完全可以用金属材料来制作, 压电晶体只需点缀性地 “压” 在探测臂上就可起到探测振动的作用。

韦伯的 “大棒”
韦伯的 “大棒”

这样, 韦伯就形成了建造共振质量探测器的具体构想, 其中探测臂的主体是一根金属 “大棒”。 在试验了若干种金属, 综合了成本与性能等因素之后, 由福沃德提议将材料选为了铝合金, 形状是圆柱, 长度 1.53 米, 直径 0.66 米, 质量约为 1.4 吨[注二]

为什么采用这种大小的 “大棒”? 韦伯等人没有给出完整理由, 但为什么将长度选为 1.53 米则有两种说法: 一种是辛斯基提供的, 称那是齐泼埃的选择, 理由是那样的长度能使共振频率 ν = 1,660 赫兹[注三]; 而共振频率之所以要选为 1,660 赫兹, 则是因为相应的圆频率 ω = 2πν = 10,000 弧度每秒, 便于计算[注四]。 另一种说法则是福沃德提供的, 称那是他的选择, 因为他知道自己时常需要搬动那根 “大棒”, 故而将长度选为了自己双手张开后恰好能碰到两端——换句话说, 那长度乃是福沃德双手张开的长度[注五]。 这两种说法——如我们在 [注三、 注四、 注五] 中说明的——都有些无厘头, 并且都很儿戏, 甚至有可能纯属杜撰。 不过当时物理学家们对有希望探测到的引力波具有什么样的频率确实还没有明确概念, 因此儿戏的理由——倘若并非杜撰的话——也不失为是理由。 有意思的是, 1,660 赫兹这一频率被选定后不久, 中子星的发现以及对黑洞现实可能性的逐渐认可, 倒是在一定程度上支持了这一选择, 因为与那些致密天体有关的物理过程被认为很有可能发射出频率在 “千赫兹” 量级的引力波[注六]

为了探测 “大棒” 的振动, 韦伯等人在 “大棒” 的 “腰” 部绑上了一些压电晶体, 并且利用放大电路对压电晶体产生的电流进行了放大——这是探测小电流的传统手段。 换句话说, 韦伯的共振质量探测器在共振产生的机械放大之外还添加了电路产生的电子放大, 因而具有双重放大的能力。 这一套以 “大棒” 为核心的装置如今被称为了 “韦伯棒” (Weber bar)。 用 “韦伯棒” 探测引力波颇有几分古代战争中用共鸣器倾听敌方动静的意味, 只不过 “韦伯棒” 所要倾听的不是敌方的动静而是时空的乐章。

“韦伯棒” 的结构示意图
“韦伯棒” 的结构示意图

“韦伯棒” 所具有的双重放大能力使它具备了相当高的灵敏度。 这种灵敏度是否足以探测引力波尚待检验, 但一个棘手的副作用倒是确凿无疑的, 那便是在普通实验中可以忽略的种种干扰和噪音全都有可能被探测到, 从而必须逐一消除, 以免干扰引力波探测。 这其中包括空气扰动、 热噪音、 放大电路的反作用, 等等。 为了解决这些副作用, 韦伯等人采用了多种措施: 比如将 “韦伯棒” 置于真空容器内以消除空气扰动; 比如通过对相距两公里左右的两个 “韦伯棒” 的信号进行比较以甄别热噪音和放大电路的反作用 (因为相距两公里左右的两个 “韦伯棒” 的热噪音和放大电路的反作用不太可能同步, 因而可用信号的同步与否来甄别热噪音和放大电路的反作用)。 此外, “韦伯棒” 所具有的极高的放大振幅的能力——也就是极高的 Q 因子 (据韦伯等人的宣称高达 106)——如我们在 上节[注七] 中所述, 意味着产生共振的频率范围极其狭窄, 这对频谱很宽的热噪音也是一种相当有效的抑制。

这些意在消除干扰和噪音的措施从原理上讲也都是简单的, 要做到真正精密却也都不容易, 前后花费了韦伯等人好几年的时间[注七]。 而且这些措施本身也是有副作用的, 因为措施的精密必然会使 “韦伯棒” 的维护变得困难, 比如任何需要触及 “韦伯棒” 的维护都必须首先打开真空容器, 维护之后则要关闭容器并重新抽真空。 而 “韦伯棒” 所具有的极高的 Q 因子又使得任何振动都衰减得极慢 (参阅 上节[注七]), 从而一旦受到干扰, 就需等待很长的时间, 才能让干扰衰减到足够小的程度, 以便能重新接收有效信号。

而干扰几乎是源源不断的, 除韦伯等人重点对付, 且宣称得到解决的空气扰动、 热噪音、 放大电路的反作用等等来自仪器本身或实验室之内的干扰外, 还有来自外部的各种震动, 比如附近车辆的行驶、 学生们的游行 (20 世纪 60 年代是美国学生运动较为频繁的年代, 韦伯所在的马里兰大学也无法独善其身), 以及地震等等都会对 “韦伯棒” 造成干扰。 更糟糕的是, 那样的干扰——尤其是地震——往往具有较大的影响范围, 从而会对韦伯等人用来甄别热噪音和放大电路反作用的那两个相距两公里左右的 “韦伯棒” 造成大致相同的干扰。 为了减少那样的干扰, 韦伯等人采用了将真空容器内的 “大棒” 悬挂起来之类的减震措施。 而终极的措施则是在距马里兰大学 1,000 公里以外的阿贡国家实验室 (Argonne National Laboratory) 也建了一个 “韦伯棒”, 与马里兰大学的 “韦伯棒” 构成一对远距离相互比较的 “韦伯棒”。 在那对 “韦伯棒” 之间, 韦伯等人通过电话线和微波接力等手段建立了信号联络, 并且规定: 倘若信号联络显示出两个 “韦伯棒” 的信号时间差不大于 0.44 秒, 就被视为是时间上同步的信号[注八]。 那样远距离的两个 “韦伯棒” 倘若出现时间上同步的信号, 则包括地震在内的种种干扰的可能性就都不大了 (除非是足够大的地震, 但那样的地震是很容易用其他办法甄别的)。

以上就是对 “韦伯棒” 所涉及的若干主要技术手段的介绍。 凝聚了韦伯等人长达数年的努力, 汇集了上述全部技术手段构建而成的 “韦伯棒” 究竟能探测到多小的长度变化, 或者说它的空间探测精度究竟是多少呢? 韦伯等人给出了自我评估, 结论是 10—16 米, 也就是比原子核的线度小一个数量级。

这个空间探测精度是通过所谓 “校准实验” (calibration experiment) 得来的。 在这种实验中, 韦伯等人让两个相距很近的 “韦伯棒” 中的一个剧烈地振动起来, 使它对另一个 “韦伯棒” 的引力 (注意是引力而不是引力波, 后者还要小得多) 因距离的微小变动而改变, 另一个 “韦伯棒” 的 “任务” 则是像探测引力波造成的振动一样探测这种引力变化使它发生的振动, 并从中推断出自己的空间探测精度。

韦伯等人的这种 “校准实验” 如今看来是一种不必要的自讨苦吃, 因为 “韦伯棒” 终极任务虽是探测引力波, 校准实验却完全没必要通过引力来做。 校准实验的唯一目的是通过对幅度已知的振动的探测, 来推断 “韦伯棒” 的空间探测精度, 达到这一目的最方便的办法其实是电磁手段, 这也是后来的同类实验所采用的办法。 韦伯等人在引力上 “一条道走到黑” 的办法带来了巨大而不必要的额外困难, 因为为了克服引力太过微弱的问题, 韦伯等人必须让作为引力源的 “韦伯棒” 以极剧烈的方式整体振动起来, 其程度之恐怖足以使 “韦伯棒” 本身因振动而发热, 绑在 “腰” 部的压电晶体则会被震至脱落。 不仅如此, 相距很近而又振动得如此剧烈的 “韦伯棒” 必然会对另一个 “韦伯棒” 产生引力以外的很多其他影响, 比如通过声波, 通过其所造成的支架和地面的振动产生影响, 这些影响跟所要探测的引力的细微变化相比都是不容忽视的, 从而会对结果产生极大的干扰。 但韦伯等人宣称他们有效地排除了那些其他影响, 并成功地确定出了 “韦伯棒” 的空间探测精度为 10—16 米。

韦伯等人的校准实验于 1966 年开始出结果, 对该实验出力极大的辛斯基和韦伯接连发表了数篇论文。 校准实验出结果对辛斯基可谓是一场 “及时雨”, 这位追随韦伯多年的年轻人因实验进展的缓慢而迟迟无法毕业, 绝望到连 “求神拜佛” 的歪招都用上了, 此时则不仅凭借校准实验拿到了拖延已久的博士学位, 而且情绪转为了超级乐观, 他预期自己的博士论文即将成为热门资料供不应求, 干脆自行印刷了 60 本以备销售。 他同时还撰写了一本详述 “韦伯棒” 制作流程的《引力波探测器设计者手册》 (Gravity Wave Detector Designer’s Handbook), 并预期那也会成为热门著作。

然而细心的读者也许注意到了, 我们在介绍韦伯等人的结果时反复使用了 “宣称” 一词, 这虽算不上贬义词, 却也不是太有 “正能量” 的, 其所针对的往往是单方面——并且只是单方面——持有的观点。 在韦伯的实验中, 这很不幸乃是事实——并且是自始至终的事实。 对于 “韦伯棒” 的诸般性能——尤其是探测引力波的能力和精度, 对于 “校准实验” 的可靠性, 物理学界都是从一开始就存有疑虑的。

但疑虑归疑虑, 韦伯的实验在当时几乎是唯一认真付诸行动的引力波探测, 就凭这一点, 就足以确立其在圈内引人注目的地位, 并且也得到了一些起码是口头上的支持。 比如 1963 年, 美国物理学家戴森 (Freeman Dyson) 就曾表示对韦伯的探测值得给予持续关注。 据说, 在整个 20 世纪 60 年代, 广义相对论会议上的一句常用的问候就是: 韦伯探测到引力波了吗?

韦伯探测到引力波了吗? 我们将在下一节介绍。

>> 返回目录 | 下一篇

注释

  1. 巴布森是一位对物理学怀有热情的企业家, 他持有一些 “民科” 式的观点 (比如认为引力会影响股市), 创立过一个引力研究中心, 他的悬赏课题本身也往往是天马行空的 (比如韦伯获奖的那次的悬赏课题为 “引力——我们的首要能源”), 但奖金数额在当时相当可观。
  2. 韦伯总共建造了六个共振质量探测器, 尺寸不尽相同, 这里介绍的是后来出结果的两个相距约 1,000 公里的主探测器的尺寸。
  3. 这一理由就算不是无厘头也是不完全的, 因为共振频率并非仅仅取决于长度, 因而这种说法只在直径已然选定的情形下才有意义, 但辛斯基并未提供有关直径选择的任何说法。
  4. 严格讲, 1,660 赫兹的频率所对应的圆频率并非 10,000 弧度每秒, 而是 10,430 弧度每秒。
  5. 福沃德的这一理由有点奇葩, 因为重达 1.4 顿的东西就算要搬也不可能是双手抱着两端地搬, 从而 “大棒” 的长度跟福沃德双手张开的长度之间根本无需具有 “相等” 关系。 另一方面, 成年人双手张开的长度跟身高几乎相等, 福沃德若不是体型异常的话, 双手张开的长度不太可能是 1.53 米。 顺便提一下, 这位提出奇葩理由的福沃德后来成了科幻作家——也许并非偶然。
  6. 当然, 现实的引力波通常不是单一频率的, 而是有一个频谱分布, 原则上只要频谱中存在频率为 1,660 赫兹的分量就可被韦伯的 “大棒” 所探测。 只不过那样的分量若太小的话, 将会使原本就很困难的探测变得更加困难, 比较有利的情形则是频谱以 1,660 赫兹附近为峰——这正是当时被认为很有可能的。
  7. 当然, 所谓 “消除” 并不是绝对意义上的消除, 而只需消除到不至于掩盖引力波效应的程度即可。 另外值得一提的是, 受经费和技术所限, 韦伯等人的 “韦伯棒” 是在室温下工作的, 韦伯之后的某些同类实验则将 “韦伯棒” 置于了超低温环境下, 以抑制热噪音等, 那样的 “韦伯棒” 被称为第二代 “韦伯棒” 或 “低温棒” (cryogenic bar)。
  8. 以 “信号时间差不大于 0.44 秒” 来界定时间上同步的信号是相当粗糙的 (在不同的实验中, 韦伯等人用过稍稍不同的界定, 但都在零点几秒的量级), 因为引力波扫过两个相距 1,000 公里的 “韦伯棒” 的时间差至多只有几毫秒, 引力波的波峰与波谷之间的时间差——对频率在 “千赫兹” 量级的引力波来说——也只有几毫秒。 但可惜 “韦伯棒” 的时间分辨率本身比较粗糙 (因为 “韦伯棒” 振动起来后要滞后一段时间才能达到可察觉的振幅, 这段时间的长短取决于初始状态等因素, 无法精确推算), 只能将时间上的同步界定到零点几秒的量级。

站长往年同日 (6 月 5 日) 发表的作品

站长近期发表的作品

=== 以下为网友讨论区, 本站版权声明不适用于以下内容 ===

网友: tjlaoji 发表时间: 2017-06-05, 03:01:27
咱们国家好像也有两个这样的铝锭吧?印象中一个在广东,一个在北京。另外在伯克利物理教程里看过这个铝锭,不知道是不是同一个。当然那里没有怎么介绍。提前剧透一下,我记得是探测到了——不是60年代,是70年代。
网友: 卢昌海 发表时间: 2017-06-05, 05:41:37
目前仍有一些实验组在用 “韦伯棒”。原始的 “韦伯棒” 则被当作 “文物” 保留着——忘了保存在哪里,也许是在 LIGO 的陈列室里,写下一篇时或许会查查。
网友: labniz 发表时间: 2017-06-06, 01:31:28
他所考虑的办案同时涵盖了我们 上节 提到的迈克耳逊干涉仪与共振质量探测器这两种类型


“办案”应该是“方案”吧
网友: 卢昌海 发表时间: 2017-06-06, 08:38:11
哈哈,居然会出这样的错误!回家后改。谢谢指正。

本文的讨论期限为 50 天, 目前距讨论期满尚有 32 天, 欢迎您

>> 参与讨论 <<