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憑借真空獲得諾貝爾獎- 巨大的真空管幫助證明引力波的存在
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2018-07-03  閱讀

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一個多世紀前,阿爾伯特·愛因斯坦預言了引力波的存在。但其存在實際到 2015 年才被證明。兩公里長的真空管被用作探測器。

就像石頭扔進水里在水面上泛起陣陣漣漪一樣,引力波會拉伸和壓縮空間。這種時空的波動由宇宙大災難引起,比如爆炸的恒星或碰撞的黑洞。然后,引力波以光速傳播。至少這是愛因斯坦在 1915 年提出廣義相對論時所預言的內容。

不過,在 2015 年之前,神秘引力波的存在為純粹的理論假設,因為它們非常難以測量。引力波改變了眨眼間的空間,而且只通過原子直徑的一小部分。在預言提出后一百年,兩個巨大黑洞的碰撞提供了引力波的直接證據。

憑借真空獲得諾貝爾獎- 巨大的真空管幫助證明引力波的存在

數公里長的測量設備

這些引力波在時空中波動了20億年,直到2015年9月14日,才略微扭曲了地球上的時空形態。在美國兩個相距 3000 公里的相同 LIGO 探測器(LIGO = 激光干涉儀引力波天文臺) 能夠測量這些引力波。

它們分別由兩個呈 90 度角的真空管組成。其中一個長兩公里,另一個長四公里。在雙方相遇的地方,激光束被發射出來,并被分光板一分為二。然后,兩半光束分別進入兩根管中。能量回收鏡確保光多次來回反射,直至抵達分光板,總距離為 1120 公里。如果引力波穿過空間,干涉儀的一個臂會伸展,另一個會收縮。這就導致激光束強度的可測量變化。

真空和測量精準度

為了確保測量設備能完全無故障工作,這些真空管必須處于海平面氣壓萬億分之一的壓力下。為此,這些管子z*初加熱 30 天,然后通過高性能真空抽取出剩余的空氣。z*后,使用離子泵抽取出剩余的氣體分子。在產生的超高真空中,沒有空氣分子可以使激光束偏轉、使鏡子振動,也沒有可能引起光擴散的塵埃。

2016 年 2 月,經過巨量計算,參與此工作的科學家宣布他們實際上能夠測量引力波并證實愛因斯坦的理論。憑借在此項目上的工作,萊納·魏斯( Rainer Weiss)、巴里·巴里什
(Barry C. Barish) 和基普·索恩(Kip Thorne)獲得 2017 年諾貝爾物理學獎。