走访神冈引力波探测器KAGRA——人类离成为“执剑人”还有多远？

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原作：远山真理

校对：王雨阳 牧夫天文校对组

编排：苏奕月

后台：库特莉亚芙卡 李子琦 胡永葳

● 相信读过《三体》的朋友们一定还记得书中执剑人罗辑通过黑暗森林威慑封住了科技水平远高于人类的三体星人对地球侵略的步伐，而这柄剑的原型便是引力波天线。

三体三部曲于2010年成书，而引力波的研究于2017年摘得诺贝尔物理学奖，从而逐渐走入了大众的视野，书中的威慑纪元似乎已经不再那么遥远。

近日笔者有幸走访了位于日本岐阜县飛騨市的引力波探测器KAGRA，希望能以此文揭开引力波望远镜神秘面纱的一角，一窥人类最先端的研究步伐。

笔者在此特别鸣谢组织了本次访学活动的东京大学宇宙线研究所的三代木伸二（Miyoki Shinji）教授与内山隆（Uchiyama Takashi）教授。

图片除特别标注外均为笔者本人拍摄。

01

长膜，中膜，短膜和轻膜

三体第三部中有一段关于歌者文明的描述：回到坐标上来，空间中有许多坐标在穿行，如同母世界的天空中飞翔的矩阵虫。坐标拾取由主核进行，主核吞下空间中弥散的所有信息，中膜的、长膜的和轻膜的，也许有一天还能吞下短膜的。不知道大家当时读到这一段文字的时候是否会觉得云里雾里，大刘虽然没有直接在书中给这几个名词和我们现实世界的科学建立一对一的关系，但根据书中的描述可以推测中膜对应的是电磁波，长膜对应的是引力波，轻膜则可以推测为中微子通信（因为中微子是一种轻子），以上三者分别对应了自然界四大基本作用力的三种：电磁相互作用，引力相互作用，和弱相互作用，最后的短膜很有可能对应的是强相互作用。人类迄今为止使用的通信手段主要是电磁波（当然还有声波，然而声波无论是对介质的需求还是本身过慢的速度都使其无法建立有效的宇宙通信），然而电磁波在宇宙空间中的传播会受到诸多干扰，例如星际尘埃的消光效应，从而使其可传播范围并没有那么远。相较之下引力波是时空本身的扰动，在传播过程中几乎不会衰减且不受物质影响，因而在宇宙尺度的通信上具有极大的优越性。然而能产生可观测引力波的源却要比电磁波少的多，黑体辐射定律告诉我们所有在绝对零度以上的物体都会发出电磁辐射，比如人在红外夜视镜中就是一个发光体，但引力波源必须要具有极高的密度才能形成可以观测到的时空弯曲，并且它在时空中的位置必须在发生着剧烈的变化（一个静止的黑洞并不能产生引力波）。尽管如此，引力波的信号依然非常微弱，这就给观测带来了极大的困难。

图1.已知的可能产生引力波的天体（从左到右从上到下）：中子星并合，黑洞并合，黑洞对致密星体的捕获，白矮星双星，宇宙大爆炸，超新星爆发。

图片来源：https://writescience.wordpress.com/2014/04/05/behind-the-curtains-of-the-cosmos-2-gravitational-waves/

02

遁地而听天

读者朋友们也许或多或少听说过引力波探测的原理，这里用一个比喻来做一个简单总结，假设你的手头有两把沿着零刻度线垂直放置的直尺，它们的长度完全相等，每把直尺上各有一只蚂蚁，它们同时从原点出发以同样且恒定的速度向着直尺另一端爬去，到达另一端后又折返回来，那么正常来说，它们应当会同时在原点处碰面，然而广义相对论告诉我们当有引力波以某些角度穿过了我们这两把直尺时，其中一把会变长，而另一把会变短，结果就是两只蚂蚁到达原点的时间会出现偏差，如果我们真的测量到了这个偏差，那就可以证明引力波的存在了。然而这个时间的差值在真实的实验中大约只有一亿亿亿分之一秒，幸运的是，当我们的蚂蚁触碰原点时，会在人类的观测屏上溅起一层涟漪，只有当它们完全同时到达时，涟漪的波形才会契合地完美优雅，而当它们失去了同步，涟漪的波峰便会错开。于是，测量精度的问题便这么被解决了，但是光有精度还不够：就算我们的耳朵灵敏到可以听到一根针掉在地上的声音，我们在一个人声鼎沸的房间里依然无法捕捉到这个信号。没错，下一个问题便是噪声。引力波信号的噪声几乎可以来源于任何你可以想到的“震动”。地壳的震动，人走动的震动，甚至于组成装置的晶格原子的震动。这些噪声把地面引力波望远镜的频率探测范围限制在了几十到几百赫兹的极小的一个窗口[5]。于是地面引力波望远镜能走的路就有两条，要么想办法增强信号（让蚂蚁跑得更久），要么想办法减少噪声（让蚂蚁跑得更安心）。

KAGRA全名为神冈引力波探测器，是目前全世界在运行的四台大型引力波探测器中唯一一台位于地下的，其设计初衷便是为了减少地面震动带来的噪声，实地勘探结果表明1000米厚的山体可以使地面震动噪声减少至地表的百分之一[1]。KAGRA位于距离日本西海岸的富山市车程约一小时的神冈矿山，它的邻居就是在本世纪已经斩获了两枚诺贝尔物理学奖的大名鼎鼎的超级神冈中微子探测器。

图2. 神冈矿山实验设施，L型的绿色管道就是KAGRA（已建成，曾用名LCGT，大型低温引力波望远镜），单侧长度各为3千米。

图片来源：[1]

03

前世与今生

日本人算是把地下观测这块给玩明白了，什么都往这矿山底下塞，神冈矿山的开采其实在公元720年左右便开始了，但大规模的开采直到明治维新时期才开始，直到2001年闭山，这座至今已有1300年历史的矿山迎来了新生，矿没了，工人们走了，坑留下了，于是科学家们就来了。

图3.KAGRA的远程操控栋，大概是这个小镇上最新的建筑了，科学家们在这里处理从5千米外的KAGRA采取到的第一手数据。玻璃门上贴着2015年诺贝尔奖得主，同时也是KAGRA计划领导者的梶田隆章教授的海报。

图4.操控栋的背后则是昭和年间曾是小学校舍的废墟，矿山闭山后在这里生活的人口急剧减少，却给科学研究留下了一片净土。

图5. KAGRA的正式建设始于2012年，完成于2019年，耗时7年，在2020年开始了试运行，图为远程操控室内的大桥正健教授按下开始观测按钮时的情景。可以看到屏幕上令人眼花缭乱的波形图，科学家们大部分时候都在和这些噪声波形作斗争。图片来源：[3]

KAGRA的科学家们大体可以分为两批人，一批在远程操控室或是其他地方处理数据，另一批则在装置所在地根据数据的反馈调试设备，这是一个十分漫长和枯燥的过程，要让设备按照预期的状态运行需要长时间的试错和调整。实际上KAGRA至今还在调试阶段，当正式开始实验的时候现场的人员会撤离以排除人的活动对观测产生的影响。

图6. KAGRA入口的隧道，可以看到画面右下角有一位工人正在铺设一块垫子，由于地处深山，装置附近会有野猪，熊等野兽出没，这些野兽有时候会在隧道附近嬉戏，破坏地基处的土，如何与野生动物们相处也是科学家们工作的一环。

图7.隧道内景，山体的渗水使得矿道内终年潮湿，排水系统也是建设时需要考虑的问题之一，另外由于隧道太长，科学家们有时会用电动车作为在装置中的移动手段（当然想锻炼一下身体也是极好的，但是需要小心地滑）。

图8.隧道的尽头是装置一侧的科学家们待的中央控制室，白板上写着抽真空的日程计划，右下框中的英文小字写着“警告：小心引力波”。实际上，引力波虽然能成为毁灭一个文明的达摩克利斯之剑，但对人体却没有什么影响，而且如果你站的角度正好，它也许能让你变高万分之一个基本粒子那么多。

图9.实验室内的巨大真空装置（直径约3米），为了让我们的“蚂蚁”跑得更舒服自在，在进行观测时整个装置内部都是高真空的状态，大约为个大气压，这也是代表了目前日本最高水平的真空装置。

图10.连接真空装置和探测器主体的巨大管道，狭小的空间与几乎全是灰色配色的装置似乎诉说着在这里进行着的科研工作的寡淡与清欲。

图11.探测器主体长三千米的巨臂，也就是我们的“蚂蚁”们的跑道。图中能看到的长度大约仅为60米。整体形状就像是三体中描述的“万有引力号”战舰。

04

十年之约，生死茫茫

然而就算怀揣着再高尚的梦想，仰望星空仍需脚踏实地。越是大型的科学项目往往也越容易受到来自社会的质疑，就在刚刚过去的10月20日，日本的新闻杂志“周刊文春”发文对KAGRA计划的进展进行了质疑[4]，日本政府对KAGRA的经费支持以十年为周期并始于2012年，现在临近第一个周期的尾声也就到了验收成果的时候。在引力波探测领域常用“感知距离”这一参数来衡量探测器的性能，尽管引力波在传播过程中的衰减很微弱，但放在宇宙尺度上依然会随着距离的增加对装置的灵敏度提出一定的考验。目前正在运行的LIGO和VIRGO探测器已经可以达到几亿光年的感知距离，而刚起步的KAGRA的原先目标是在第一个十年中达到25Mpc（约一亿光年）的感知距离（见图12）。但是由于新冠等种种因素的影响，实际上KAGRA目前能达到的感知距离只有1Mpc（约300万光年）左右，也就意味着只能观测到不超过仙女座星系的宇宙空间内发生的引力波事件，但是这个频率只有每十万年一次。因而该文指出KAGRA存在夸大目标骗取经费的嫌疑，这似乎为KAGRA下一个十年的计划进展蒙上了一层阴影。然而人类科学的进步之路从来都不是一帆风顺的，有的大科学项目中图夭折，比如美国德克萨斯超导超级对撞机，有的项目却是百折（鸽）不挠，硬是熬过了十几年的延期终将得见曙光（JWST：勿cue）。KAGRA项目究竟能否迎来下一个十年，还需我们拭目以待了，但无论结果如何，这都是人类文明的又一次伟大尝试。

图12. 目前世界上大型引力波探测器的感知距离，我们在一定时间里能观测到的引力波事件数与感知距离的三次方成正比，例如300万光年的感知距离就意味着这台探测器只能探测到距离不超过仙女座星系的引力波事件，而考虑到发生可探测引力波事件的极端条件，这个频率大约是每10万年一次，但是如果能将感知距离提升到7亿光年，也就意味着我们能观测到半径为到武仙座星系团那么远的距离内的球形宇宙空间中发生的可探测引力波事件，概率就提升到了每年数次。因而提高感知距离是当今引力波探测的首要任务。

05

利剑，尚未成型

最后回到我们标题上的问题，人类文明已经有成为“执剑人”的资格了吗？很遗憾，答案是没有。无论是LIGO，VIRGO，还是KAGRA，都属于引力波探测器，探测器和发射器有着本质上的不同。比如我们的眼睛就是一个探测器，可以接收到外界的光，但这并不意味着我们的眼睛也可以biu出光来。要形成三体中的“黑暗森林威慑”需要我们具有能发射引力波的技术。正如在图1中所列举的，以人类目前的技术水平能观测到的引力波都是宇宙中最为极端的事件，所以我们发出的信号也不能比两个黑洞并合发出的引力波信号差太多，否则就无法被其他文明观测到，也就形不成威胁了。然而现在人工可操控的强引力波源尚未走出理论，三体书中所采用的是极高质量密度的长弦的振动，确实是满足了形成强引力波的高密度与剧烈位置变化的条件，然而在弦理论尚未得证的今天，实体化也就更无从谈起了。不过随着世界范围内如火如荼地开展着的引力波探测计划，兴许在本世纪的某一天我们就能接收到从武仙座星系团发来的坐标信息呢。

最后还是以三体书中引用的王尔德的一句话来作结吧：我们都是阴沟里的虫子,但总还是得有人仰望星空。

参考文章

[1]. https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/news/2165/

[2].https://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%A5%9E%E5%B2%A1%E9%89%B1%E5%B1%B1

[3]. https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/news/8613/

[4].https://news.yahoo.co.jp/articles/93ab252d4b8f6628ed72cf12261ac6ea5f372f4a?page=1

[5].Aso Y et al (2013) Interferometer design of the KAGRA gravitational wave detector. Phys Rev D 88:043007. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.88.043007. arxiv:1306.6747

责任编辑：王雨阳

牧夫新媒体编辑部

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