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引力波：发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 第10章 汉福德天文台
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LHO
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2000年前后建造的第一代LIGO探测器没有探测到来自宇宙的任何声音。这些机器证明这项伟大技术有可能实现，但是由于灵敏性不够，它们无法探测到引力波。又或者，宇宙中可能根本没有这种声音。让我们把所有的疑虑都抛在脑后，我们已经爬到了顶峰。这个顶峰既指我们所在的位置，也指未来的某个时间，即高新激光干涉仪全面投入使用的那一刻。在攀爬的过程中，我们先失去了韦伯，然后是罗纳德·德雷弗。但是，探索队伍还在不断壮大。无论谁离开了，都有人及时补上，攀上顶峰的使命没有受到任何影响。探索者们意气风发、昂首挺胸，朝着目标不断迈进。
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汉福德LIGO探测器位于华盛顿州东南部一个归政府所有的偏僻保护区，与它相邻的是汉福德核工厂——全世界第一个核反应堆所在地。“二战”的最后一年，约翰·惠勒就是在这里完成反应堆的设计工作的。由钚分离设施提取的放射元素被用于制造“胖子”，它是由飞机投放的第二颗，也是（迄今为止）最后一颗原子弹。1943年，被列入保密范围的曼哈顿计划将部分工作人员安置到这里，与此同时，美国陆军部把近600平方英里[1]区域里的居民（强行）迁走，使得这片本就人烟稀少的土地变成了不毛之地。从20世纪80年代起，汉福德场区就成了核武器制造中心、核废物填埋场。
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总的来说，这就是一片闲置不用、没有农林价值的准沙漠。准确地说，它应该是干草原，尽管雨水稀少，植被却比真正的沙漠要多。一簇簇的多年生草本植物使人联想到打理不善的贫瘠农田。放眼望去，平坦的土地上几乎空无一物，只有一些核反应堆孤零零地矗立在地平线上。从冷却塔排放出来的烟雾（虽然与原子弹的蘑菇云同源，但不会令人望而生畏）融入积云之中，为对人畜无害的气象云图增添了几分卡通效果。
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几英里外的几幢低矮建筑就是特别设计的LIGO实验室。这些几乎通体白色的新建筑采取的是平板结构，与LIGO实验室外围的那些核反应堆形成鲜明的对比。整修过的地面铺有从其他地方运来的鹅卵石，几丛精心修剪的翠绿色灌木点缀其间，仿佛人工搭建的微型电影布景，尽管还是半成品，但也能看出是精心构思的产物。
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我到得很早，以便前往控制室参加每天上午8
:30举行的例会。负责高新探测器组装工作的迈克尔·兰德里漫不经心地听着其他人的进度报告。屋子里摆放着两列三排电脑显示器，在数量略少于显示器的桌子旁懒洋洋地坐着大约20个人。有一个家伙的身体正随着他屁股下面的大的健身球上下起伏。会议简短有效，最后迈克尔宣布：“工作时注意安全。散会。”他说话的语气严肃认真，但显然是老生常谈。
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正常工作时间里，在控制室里四处走动和进出实验室的人大多穿着医用防护服。但是，我觉得他们的防护服似乎颜色更深。根据新的规定，这些防护服还要有防污染的作用。我也不愿意联想到医院，两者之间并没有多少相似之处，但是控制室的两面相对的墙上分别装有6台和7台显示器，上面显示了探测器的各种指标，在有危险时还会发出报警声，这种情形与医院确有几分相似。探测器的内部安装了大量的摄像头和传感器，分布在不同的位置。控制室里随时都有人，操作人员每8个小时一班。在研究期间，探测器必须处于锁定状态，也就是说反射镜之间的距离是固定的，只允许有微小位移。一旦发生位移，一个复杂的反馈回路就会将它们调整到正确的位置上，这与恒温器让房间温度保持稳定的情形有些相似。探测器测算并纠正反射镜发生的微小位移，同时记录所采用的恢复措施。一旦取消探测器的锁定状态，警报就会响起，显示器会同时闪烁黄色或红色信号。有时，喜欢恶作剧的人还会修改警报的声音。
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说到控制室的半自动化，所有人都会露出一丝得意的笑容。控制室里的操作人员承认，这套半自动化程序有点儿妖术的味道，而且比时好时坏、需要经常拍打的电视机更神秘，确实算得上妖术。很多人说到这个词的时候，他们的视线游移不定，同时嘴角露出一丝得意的笑。我觉得他们说的是真心话，而不是提醒我加以注意。有时候，这台机器操作起来还是相当有难度的，通过图形用户界面学习如何操作需要几个月的时间。等到高新探测器组装完毕后，信号读出信道将增加至20万个，控制回路可达到350个。试想，谁可以娴熟地控制如此复杂的机器和激光在管道里的传播呢？
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如果是大风天气，或者汉福德场区外面的道路上有大量自卸货车驶过，探测器可能根本就没有办法恢复锁定状态。夜间，操控探测器的工作要简单一些，足以容纳上百人的控制室里只剩下少数操控机器的操作人员。通过与几名操作人员（他们大多是本地人，而不是来自学术界的专业人员）交谈并观察他们的行动，我发现他们在晚上不是很忙碌。
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控制室里大约有20个人。他们穿着深蓝色防护服，一面做出一副沉思或者懊恼的样子，一面用扳手和螺丝刀轻轻敲打自己的脑袋。这么多人聚在一起思考显示器上的数据，很像一群正在探讨疑难杂症的医生。
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位置偏僻、任务前景模煳，这些特点显然对培养友谊有促进作用。人们背对着打开的门，面前是显示器和两个超大的数字时钟——一个显示本地时间，另一个显示格林尼治标准时间。他们不时讲一些无伤大雅的笑话，或者大声问一些任何人都可以回答的问题。我走出控制室，朝实验室走去。
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我知道，与控制室一墙之隔的是实验室的机库——激光与真空设备区。加州理工实验室可以用像拖车一样的附楼安放40米原型机，但是这台全尺寸探测器是不可能放到室内的。激光与真空设备区大约占地3万平方英尺[2]，仅能容纳探测器最顶端的一小部分。墙的外面有两根直径为1.2米、长度为4 100米的管道穿过实验室，向干草原的西北方向延伸。由于管壁的厚度仅为3毫米，因此需要用加固环来增加结构的稳定性。管道外面有混凝土防护罩，旁边是一条便道，一直通向管道终端的几间小实验室。
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LIGO控制室的双开式弹簧门后面的这两根管道在地球上构建了两个很大的真空环境，其真空的程度比含有极少量星系际介质的星系间的真空区更高。地球上这两个最大的真空区中的物质含量，甚至不到宇宙中某些真空区物质含量的1/8。（但是，它的“干净”程度仍然比不上宇宙中最“干净”的真空区。）
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科研人员设计的这个真空系统不仅成本低廉，而且气势恢宏，令人叹为观止。尽管地球上有的真空区更加干净，但是它们体积都比不上LIGO探测器的这两个真空区的总体积。自1998年被抽成真空之后，这两个管道中的压强就再也没有恢复到标准大气压的水平。在升级为高新LIGO探测器时，所有零部件都被更换了，这两个管道却保留下来。在整个实验期间，这两个管道都必须保持真空状态，否则整个实验就彻底失败了。迈克尔·兰德里说：“那样的话，我们都要灰熘熘地回家。”
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一次，核设施安保组的一名监察员在凌晨3点走进来，问LIGO实验室里的人：“你们听到那个声音了吗？”迈克尔开车沿便道一路查看情况，结果发现是一辆货车撞上了其中一条干涉臂的防护外罩。根据美国联邦政府的授权，在汉福德场区巡逻的安保人员可以携带攻击性武器，他们都是人高马大的壮汉，携带的武器装备令人望而生畏。其中有一部分人特别喜欢在黑暗中超速驾驶，尽管他们对这里的地形并不太了解。肇事的这名保安当时以每小时50英里的速度驰骋在点缀有灌木丛的平原上，结果一头撞上一条干涉臂，导致一只胳膊骨折，还断了一根肋骨。
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这次碰撞并没有损伤真空管道的管壁，但也不能排除这种可能。可以想象，一美元硬币大小的孔可能只会对实验造成威胁，导致实验彻底失败；但是足够大的孔就有可能造成致命威胁，后果可能与太空舱出现破洞差不多。
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即使没有发生碰撞事故，汽车对于真空管道而言也是有百害而无一利。LIGO探测器对地震极其敏感，其本身就相当于一个大型地震仪。当货车沿便道驶过时，探测器就会有反应。一直以来，空气中的声音都是一个麻烦，数据分析人员曾经发现一种与本地机场飞机起落时间有关的噪声。
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太阳和月亮会导致反射镜发生晃动，需要借助磁场让它们回到基准位置。此外，还需要使用地震仪和液压随动系统来探测地球的局部运动，以补偿反射镜发生的位移。所有这些措施都会产生各种形式的噪声，需要与真实信号区分开。通过监测探测器发出的原始声音，我们就可以识别出天体的潮汐力，地球在静止状态下发出的声音，以及元素的余热、量子振动和激光压力。
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探测器的反射镜非常漂亮，它们通体透明，肉眼几乎看不见。这些反射镜对可见光的反射效果极差，因为反射激光是它们唯一的效用。反射镜的生产被外包给专业的公司，制成后又被送到世界各地接受各种后续加工，包括80个涂层的处理，使这些本来就非常优质的镜子对激光的反射率高达99.999%。
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如果用螺栓将这些重达42千克的反射镜固定到管道天花板上，它们就无法“随波逐流”，在空间发生变化时也无法随之摇摆。于是，实验人员利用超细玻璃钢将它们悬挂起来。但这样一来，稳定性与敏感性就会产生无法调和的矛盾。玻璃钢的直径大约是人类头发的两倍，粗暴对待极易导致其断裂，但在纵向拉伸时又坚韧如钢铁。
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汉福德探测器的负责人弗雷德·拉布称这套系统是巧妙手段与恐怖结果博弈的产物。如果有1兆瓦激光在反射镜之间往反运动，就会迅速积累大量能量。如果探测器的锁定状态被解除，这1兆瓦激光就会将能量倾泻到光电二极管上。根据设计要求，光电二极管只能吸收少量光子。在一次事故中，光电二极管就被烧坏了。于是，人们设计出可以快速关闭的不锈钢遮光板，以保护光电二极管。在探测器发生的另一次事故中，遮光板迅速关闭，但在激光将积累的能量倾泻到遮光板上之后，它也冒起了青烟，烧焦的材料还飘进了真空管。
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之后发生的一起灾难是由地震引起的。探测器的一些小型光学仪器受到影响，系统在试图阻止这些仪器发生位移时失去控制，导致这些光学仪器在几个小时内不停地前后移动。一位操作人员试图让探测器恢复锁定状态，但他在调控入射光束时不小心让激光从玻璃钢上扫过，致使玻璃钢的温度迅速升高并熔化。玻璃钢断了，反射镜掉了下来。这样的事故只发生过两次。后来，他们设计了防震闭锁装置，用防震架将反射镜保护起来，以防类似事故再次发生。根据记录，全球各地发生的地震通常不会对测控器造成灾难性后果。
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我和兰德里换好衣服，走进激光与真空设备区，准备近距离观察其中的活动。它是一个10 000级无尘室（每立方英尺[3]的污染物数量最多不超过1万颗）。纽约平均每立方英尺的空间里至少有数量达百万的污染物，包括微生物、粉尘或化合物等。（后来，我在刘易斯安那州现场观看了一个讨论增强版无尘室标准的谈话节目。在那个1个小时的节目里，还有人亲自动手，用医用手套、杰富花生酱、异丙醇做了一次演示。）机库里面比较凉爽（汗液也是一种污染物），面积非常大，层高大概是30~40英尺。墙上有轨道，起吊装置就在我们头顶上来回运行。地面轨道上的大写英文单词告诉我们，起吊装置最大承重量是5吨。室内所有人都戴着安全帽。
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机库里的各个工作间必须用坚固的闸阀与真空管道完全隔离开，以便在将室内压强恢复至大气压时含有污染物的空气不会进入真空管道。机库里有一段临时楼梯和走道，站在上面向下看，可以看到那些被称为“露天啤酒花园”的工作间的屋顶。从外观上看，的确名副其实，一个个工作间既像啤酒桶，又像赫伯特·乔治·威尔斯笔下的潜艇。工作间的顶部打开后，在专业吊车工的操作下，整个吊舱都可以放入工作间。放完后，工作间的屋顶会再次封闭（必须密不透气）。抽出室内空气直至室内真空度与干涉臂中相同时，就可以打开闸阀了。
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