寻找“完美镜面”
发布时间:2020-04-25
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物理学家们正在致力于为下一代 LIGO 实验寻找合适的玻璃,以制造出一面“完美”的镜子,而这个过程需要他们揭开玻璃结构中的一个谜团。 

 

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LIGO 的镜面由 36 层玻璃组成。镜面的设计主要是为了完美反射 LIGO 激光器使用的光。图片来源:EGO/Virgo Collaboration/Perciballi

 

来源:Quanta Magazine

作者:Natalie Wolchover

翻译:阿金

审校:戚译引

 

激光干涉仪引力波天文台(LIGO)能够感知到尺度只有原子直径数千分之一的运动,这部分归功于仪器近乎完美的镜面。镜面让激光束在 LIGO 的 L 型干涉臂下来回反射。当引力波经过地球,拉伸或挤压时空的时候,干涉臂的相对长度就会变化。

 

这些镜面与普通的镜子极不相同。比如你在浴室中使用的镜子,光通过金属反射回来,而金属层前面的玻璃只是保护作用。但 LIGO 的 100 千瓦激光足以熔化任何金属,因此它的镜面全部由玻璃组成。

 

一般来说,玻璃不会反射。金属会反射光,是因为光波振动了其中自由运动的电子,在这一过程中电子吸收并且重新发射出光子。而玻璃则恰恰相反,它能让大部分光通过,因为玻璃的电子在原子内部,与光不相互作用。但 LIGO 使用了 1939 年发明的一种技术,让玻璃变成了镜子。镜面由 36 层玻璃组成,其中一层二氧化硅玻璃(硅玻璃,大多数玻璃的材料)和一层五氧化二钽玻璃(钽玻璃)交替排列。每一层玻璃反射一小部分光,每一层玻璃的厚度都经过精确计算,这样根据 LIGO 激光的具体波长,每一层玻璃反射的光相互干涉,叠加起来最终构成反射率高达 99.9999% 的镜面。

 

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图片来源:Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine; adapted from hankwang

 

然而,LIGO 的镜面并非完美,因为玻璃成型的过程会带来一种奇怪的噪声信号,总的来说是一种神秘的物质。玻璃由随意排列的原子或分子组成,就像液体中那样,但不知怎么它们粘在了一起,无法流动。物理学家认为,玻璃中的固有噪音来自于在两种构型间不停来回切换的小团原子簇。这些“双构型系统”会稍稍改变激光在 LIGO 镜面间穿梭的距离,因为每一玻璃层表面移动的幅度相当于一个原子的直径。

 

弗朗西斯·海尔曼(Frances Hellman)是加州大学伯克利分校的玻璃专家,也是 LIGO 千人科学团队中的一员,她说:“目前 LIGO 确实受制于此。尽管探测器具有惊人的隔振、阻尼等性能指标,拥有非凡的灵敏度,但是他们还未能克服的问题之一就是镜面涂层中这些有趣而微小的原子运动。”考虑到LIGO寻找的引力波振幅只有一个原子的千分之一,这些原子运动其实是个大问题。

 

尽管如此,希望仍在。借助关于玻璃属性的最新理论观点,海尔曼团队和其他人正在努力寻找适用于 LIGO 镜面的更完美的玻璃。下一代实验名为 Advanced LIGO Plus,计划于 2024 年启动,届时将要求玻璃的噪音降至目前的一半以下。再加上其他升级,这一改进意味着探测到引力波的频率将提升七倍,到时候大约每数小时就能探测到一次引力波。

 

目前,研究人员已经找到一些候选玻璃,可能满足设计要求,但他们仍然希望发现一个明确的赢家。“长久以来我们都使用一种略显随意的方法。”格拉斯哥大学的玻璃物理学家、LIGO 成员伊恩·马丁(Iain Martin)说,“现在我们在寻找的过程中有了更多的指导。”

 

海尔曼团队正在寻找接近“完美玻璃”的东西,这是几十年前理论预测的一种假想物质相。理论上,完美玻璃中的分子以最紧密的方式随机排列在一起,处于完美的稳定状态,不存在双构型系统。完美玻璃如果存在,它将能解释所有玻璃内部的情况,它正是普通玻璃中分子试图实现的状态。

 

2007 年,对完美玻璃的追寻让物理学家马克·艾迪格(Mark Ediger)发明出一种玻璃制造新工艺,可生产出比以前更加稳定的玻璃。四千多年来,玻璃匠所做的就是将热玻璃冷却直至变硬,但艾迪格和他的团队并没有这么做,他们像玩俄罗斯方块一样,把分子一个接一个扔到表面上,让它们相互贴合在一起。海尔曼和她的伯克利团队在 2014 展开的研究表明,这种方法制造出的“超稳定”硅玻璃要比普通玻璃拥有少得多的双构型系统。

 

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这些每块重 40 千克的玻璃被称作“测试质量”,因为要测试实验臂是否响应穿过的引力波,做出相应的长度变化。图片来源:LIGO

 

几年前,海尔曼意识到超稳定玻璃可能适用于 LIGO 镜面,因为它可以减少目前困扰的噪音问题。超稳定硅没有用,因为它会吸收大量 1 微米波长的光,也就是 LIGO 激光的波长。在过去的两年内,海尔曼团队还尝试了二氧化硅、二氧化碲(碲玻璃),二氧化硒(硒玻璃)和二氧化锗(锗玻璃)。

 

马丁和他格拉斯哥的团队则将研究重点放在了寻找缺乏特定分子结构的玻璃上。这种特定结构是四个分子构成的金字塔状,其中两个分子也是另一四面体的一部分。去年与斯坦福大学研究人员的合作研究表明,与相邻四面体只共享一个分子的结构相比,这样的排列会产生更多噪音,也许是因为它们创造出更多的双构型系统。而锗玻璃有利于低噪声排列,马丁认为它是替代 LIGO 的 70 层镜面中 35 层钽玻璃层的理想材料。锗玻璃本身反射的光非常非常少,但掺入钛元素有助于改善这种情况。(其他 35 层仍然保留当前的二氧化硅玻璃。)

 

马丁表示,目前为止另一方案就是在某些层中使用海尔曼的超稳定硅玻璃。他和他的合作者已经找到了办法,降低硅对 LIGO 工作波长段的光吸收。他说:“我们认为它已经足够低了,实际上可以使用。”但它只能用在镜面底层,那里大部分光已经被反射,剩下的吸收量就很小,不足以构成问题。“它甚至可能和锗玻璃结合在一起使用,把锗玻璃和二氧化硅玻璃放在镜面的上半层,下半层则是超稳定硅玻璃和二氧化硅玻璃。”马丁补充说。

 

玻璃的选择原本计划在 5 月 30 日前确定下来,但由于冠状病毒疫情的暴发,LIGO 团队正在考虑将这一期限延长 6 至 18 个月。“在我们确定哪种玻璃保护层能使用之前,仍然有许多工作要完成。”马丁说,而该项目的所有实验研究仍在无限期搁置中。

 

当然,如果完美、超稳定、零吸收的玻璃在截止日期之后被发现,这也可能改变 LIGO 的进程。海尔曼总结说:“如果我们能够把噪音降低一个数量级,他们就得计划再次停机(升级)了。”

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