引力波探测的简单介绍

作者: 龚雪飞, 罗子人, 刘润球

科学技术的发展把相对论研究带入了一个与实验和技术相结合的全新时代。引力波作为
广义相对论的重要预言，它的直接探测问题也自然地走到了需要实现的阶段[1]。在引力
波探测的若干途径中，激光干涉的手段是目前最为流行的，它的原理是基于引力波是时
空几何的改变这个本质，通过观测由入射引力波导致的干涉仪臂长的变化所引起的干涉
条纹的改变来直接探测引力波。人们根据感兴趣的物理和探测频率的不同，设计不同量
级臂长的激光干涉探测器工作在地面和太空不同的环境。地面上例如美国的LIGO[2]，己
于2002年正式开始工作并收集数据；而空间探测方面，美国和欧洲合作的空间探测器
LISA的各个方面也都在按部就班地研究[3]，预计十几年内便可以发射投入使用。可以
说这些探测器是迄今为止人类实验所面对的精度要求最高的干涉仪，各种各样的噪声在
观测中与引力波信号的竞争对探测技术的各个方面都提出了非常大的挑战[4]。由于引力
波非常微弱，目前人们的研究水平应该说仅仅到了刚好能够探测到引力波的程度。
 
在地面激光干涉仪中，我们对测量精度的要求越来越高，已经慢慢接近了量子力学测不
准原理所给出的标准量子极限（Standard Quantum Limit）。要进一步提高测量精度，
增加探测到引力波信号的可能性，我们必须要突破这个极限。因此第三代地面引力波探
测器的首要任务便是要去寻找一种可行的方案使得我们的测量精度能够突破标准量子极
限。基于这个目的，越来越多的科学家开始投入精力去研究激光干涉仪的量子行为。干
涉仪中最重要组成部分的镜面，作为一个宏观物体，它的量子力学问题在最近开始变得
越来越重要，也越来越受到研究者的关注，并且慢慢形成一个新的领域。宏观物体量子
力学无论在理论上还是实验上都存在着很多尚待解决的问题，比如我们该如何理解这个
概念，如何用一个合理的数学形式来描述一个宏观物体的量子行为，如何利用我们对这
个理论的认识去改善干涉仪的测量精度等等。而在实验上，首先我们面对的是如何排除
环境干扰，在实验室展现一个宏观镜面的量子行为，如何去把理论所预期的结果实现出
来。我们的最终目标是希望能找到一个可行的方案来实现量子无损测量（Quantum
Nondemolition Detection），这自然还有相当长的一段路要走。
 
像地面干涉仪一样，空间引力波探测计划LISA也是要用激光干涉的方法来探测时空几何
的微小变化，但LISA的干涉仪臂长（五百万公里）却要远长于地面探测器的臂长。正是
由于它五百万公里的臂长，LISA可以用来探测频率在毫赫兹的引力波。作为空间任务，
LISA项目中一项重要的技术是引力参考计（gravitational reference sensor 或简称 GRS）。
GRS被用来测量航天器中在自由下落（free falling）状态的测试质量与航天器本身之间的相
对运动，然后通过一个反馈系统产生反推力作用于航天器上来消除这种相对运动。
即将于2009年发射的LISA探路者（pathfinder）将会对这一技术作严格的检验。而在计划中的第二代LISA（advanced LISA）以及大爆炸探测器（Big Bang Observer）中，我们对测量精度的要求将会更高,
继而也就对GRS技术也提出了更苛刻的要求。在未来的一二十年间，研制比LISA精度更高的
GRS便成为了一个极具挑战性的研究课题。

参考文献：

[1] 有关引力波的一般介绍 ---- Marcia Bartusiak, Einstein's Unfinished Symphony.  Berkley     Books, 2003
[2] 有关LIGO的详细介绍请访问 http://www.ligo.caltech.edu

[3] 激光干涉仪的量子噪声  ---- Corbitt, Thomas; Mavalvala, Nergis. Noise and fluctuations in photonics and quantum optics, Proc. SPIE 5111-23 (2003),
http://arxiv.org/abs/gr-qc/0306055

[4] 有关LISA的介绍请访问 http://www.lisa-science.org/ 或阅读
Karsten Danzmann and Albrecht Rüdiger，LISA technology—concept, status,
prospects,（2003） Class. Quantum Grav. 20 S1-S9

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