城市大小的地下管道，40公里長，用來探測黑洞？管道里的污垢令人擔憂！

知識 04-17

一個4公里長的引力波探測器還不夠酷。40公里長的引力波探測器才叫酷哪！

4月14日在美國物理學會四月會議上科學家們決定建立一個與可見宇宙外緣相匹配的大型引力波探測器，用來尋找時空結構中的漣漪。什麼是時空中的漣漪？愛因斯坦預言，當黑洞等巨大物體碰撞時會就發生漣漪。不過要建造一個城市這麼大的引力波探測器並不容易。

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大家可能認為目前的引力波探測器已經很厲害，很靈敏了。但是麻省理工學院的物理學家Matthew Evans認為，它們還差得遠，它們只是「可能」探測到引力波。

當然目前這個4公里長的激光探測器（LIGO）對引力波探測仍然功不可沒，2015它第一次探測到了引力波，距離地球13億光年之外，兩個質量不同的黑洞合併而引起時空的膨脹和收縮。這證實了曾經被當成是一種純理論的，看不見的引力波是廣泛存在的。由此LIGO的主要創造者獲得了諾貝爾獎。

不過LIGOT和義大利的另一台激光干涉引力波探測儀Virgo的能力還是極其有限，麻省理工學院物理學家Salvatore Vitale告訴公眾，它們只能探測靠地球比較近的天體產生的引力波，而且也只能探測某些類型天體產生的引力波。

迄今為止，關於引力波，LIGO只得出了兩個結果，一個是2015探測到兩個黑洞合併，另一個是2017年探測到兩顆中子星合併。期間，LIGO還發現了其它黑洞碰撞產生的引力波，但卻沒能提供更多驚人的科學發現。

因此，科學家們想要建造一個建設規模更大，更精確的大型探測器。或者是另一種類型的，起名為「愛因斯坦望遠鏡」的引力波探測器。新的探測器對引力波的檢測率可以從每幾個月測到一次飛躍到每年超過100萬次。

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新的探測器可以把我們的視野擴展到宇宙的盡頭，它幾乎可以測到每一個合併的雙星系統，無論發生碰撞的是恆星、黑洞還是中子星。這意味著我們有可能探測到宇宙早期的黑洞，搞清楚引力的奧秘，甚至有可能第一次探測到超新星坍縮成中子星或黑洞發出的引力波。

為什麼引力波探測器越大，探測能力就越強呢？探測器的工作原理是什麼呢？

無論是LIGO還是Virgo,引力波探測器都是由兩個巨大的L型量臂組成的。每個長臂都是由真空鋼管組成，用激光對這兩個長臂進行非常精確的長度測量。當引力波掠過這兩條長臂時，會引起時空的扭曲。比方說，原本一英里的長度會變得略小，而激光能測出這極其微小的變化，從而發現引力波。

但是這種測量方法很有局限性，大多數引力波引起的變化還要微小，激光都無法測量出來，因此，我們也無法發現。當然我們可以想法提高激光檢測的技術，或者在長臂上作出更多的技術改進，但想要放大引力波信號，目前最好的方法就是做出更長的L型臂來。

但是想要做出比現在更大十倍的探測器為，除了技術上的問題還有成本的問題，要知道現在的LIGO已經以昂貴著稱。成本大約超過了數億美元。

為什麼科學家們選擇了十倍大，而既不是二倍大，也不是二十倍大呢？這也是有科學原因的。太大或者太小都有可能影響激光測試的精度，因為激光儘管速度很快，但測量距離也還是需要時間的。

除去成本的原因，LIGO和處女座都足夠小，所以不用太考慮地球的曲率。但是如果每隻長臂都有40公里的話，要把每一個長臂的末端設在地面上，就意味著真空鋼管的中心必須在地下98.43英尺（30米）處（還得假設地面是完全平坦的）。

另外超過40公里的長臂，管道內的污垢也是個問題。在歐洲已經沒有這麼大的地方了，在美國的話，猶它州的鹽湖城或者內華達州的布萊克岩沙漠還有可能。

這些問題都促使科學家們開始研究「愛因斯坦望遠鏡」，這種探測器和LIGO不同，它有三個長臂和多個探測器，形狀是三角形，同時只需要佔用一個更小的空間，非常適合歐洲這種比較小的地區。

估計建成這些巨大的引力波探測器需要15到20年的時間，有許多新技術還在研究中，不過現在已經是時候開始新探測器的建設了。現在已經有八級工作人員在研究這個項目的可行性，預計在2018年的12月，他們能拿出具體報告來。

也有人質疑是否應該花費如此大的人力物力去建造新的探測器，對此麻省理工學院物理學家Salvatore Vitale認為，在只要再過十幾年就能進行一次真實的宇宙探險或者建造「愛因斯坦望遠鏡」時，去建造一個只有LIGO的二倍大，8公里長臂的探測器，才是不合理的。但是建造十倍大的新LIGO在科學上的難度並不是特別大，除非有什麼明顯證據能證明，目前只能建造二倍大的LIGO。

當然科學家們也不會白白渡過這十五到二十年時間。除了LIGO和Virgos現在還有日本的神崗引力波探測器，印度的LIGO-India型探測器,研究人員會有更多的機會來從各個角度研究不同的引力波是由什麼引起，從哪裡傳來的。

本文編譯：巧巧恬