科學研究：為了給LIGO升級，他們需要先解決玻璃的問題


LIGO的鏡麵由36層玻璃組成。鏡麵的設計主要是為了完美反射LIGO激光器使用的光。圖片來源：EGO/Virgo Collaboration/Perciballi
激光幹涉儀引力波天文台（LIGO）能夠感知到尺度隻有原子直徑數千分之一的運動，這部分歸功於儀器近乎完美的鏡麵。鏡麵讓激光束在LIGO的L型幹涉臂下來回反射。當引力波經過地球，拉伸或擠壓時空的時候，幹涉臂的相對長度就會變化。
這些鏡麵與普通的鏡子極不相同。比如你在浴室中使用的鏡子，光通過金屬反射回來，而金屬層前麵的玻璃隻是保護作用。但LIGO的100千瓦激光足以熔化任何金屬，因此它的鏡麵全部由玻璃組成。
一般來說，玻璃不會反射。金屬會反射光，是因為光波振動了其中自由運動的電子，在這一過程中電子吸收並且重新發射出光子。而玻璃則恰恰相反，它能讓大部分光通過，因為玻璃的電子在原子內部，與光不相互作用。但LIGO使用了1939年發明的一種技術，讓玻璃變成了鏡子。鏡麵由36層玻璃組成，其中一層二氧化矽玻璃（矽玻璃，大多數玻璃的材料）和一層五氧化二鉭玻璃（鉭玻璃）交替排列。每一層玻璃反射一小部分光，每一層玻璃的厚度都經過精確計算，這樣根據LIGO激光的具體波長，每一層玻璃反射的光相互幹涉，疊加起來最終構成反射率高達99.9999%的鏡麵。
然而，LIGO的鏡麵並非完美，因為玻璃成型的過程會帶來一種奇怪的噪聲信號，總的來說是一種神秘的物質。玻璃由隨意排列的原子或分子組成，就像液體中那樣，但不知怎麽它們粘在了一起，無法流動。物理學家認為，玻璃中的固有噪音來自於在兩種構型間不停來回切換的小團原子簇。這些“雙構型係統”會稍稍改變激光在LIGO鏡麵間穿梭的距離，因為每一玻璃層表麵移動的幅度相當於一個原子的直徑。
弗朗西斯·海爾曼（Frances Hellman）是加州大學伯克利分校的玻璃專家，也是LIGO千人科學團隊中的一員，她說：“目前LIGO確實受製於此。盡管探測器具有驚人的隔振、阻尼等性能指標，擁有非凡的靈敏度，但是他們還未能克服的問題之一就是鏡麵塗層中這些有趣而微小的原子運動。”考慮到LIGO尋找的引力波振幅隻有一個原子的千分之一，這些原子運動其實是個大問題。
盡管如此，希望仍在。借助關於玻璃屬性的最新理論觀點，海爾曼團隊和其他人正在努力尋找適用於LIGO鏡麵的更完美的玻璃。下一代實驗名為Advanced LIGO Plus，計劃於2024年啟動，屆時將要求玻璃的噪音降至目前的一半以下。再加上其他升級，這一改進意味著探測到引力波的頻率將提升七倍，到時候大約每數小時就能探測到一次引力波。
目前，研究人員已經找到一些候選玻璃，可能滿足設計要求，但他們仍然希望發現一個明確的贏家。“長久以來我們都使用一種略顯隨意的方法。”格拉斯哥大學的玻璃物理學家、LIGO成員伊恩·馬丁（Iain Martin）說，“現在我們在尋找的過程中有了更多的指導。”
海爾曼團隊正在尋找接近“完美玻璃”的東西，這是幾十年前理論預測的一種假想物質相。理論上，完美玻璃中的分子以最緊密的方式隨機排列在一起，處於完美的穩定狀態，不存在雙構型係統。完美玻璃如果存在，它將能解釋所有玻璃內部的情況，它正是普通玻璃中分子試圖實現的狀態。
2007年，對完美玻璃的追尋讓物理學家馬克·艾迪格（Mark Ediger）發明出一種玻璃製造新工藝，可生產出比以前更加穩定的玻璃。四千多年來，玻璃匠所做的就是將熱玻璃冷卻直至變硬，但艾迪格和他的團隊並沒有這麽做，他們像玩俄羅斯方塊一樣，把分子一個接一個扔到表麵上，讓它們相互貼合在一起。海爾曼和她的伯克利團隊在2014展開的研究表明，這種方法製造出的“超穩定”矽玻璃要比普通玻璃擁有少得多的雙構型係統。


這些每塊重40千克的玻璃被稱作“測試質量”，因為要測試實驗臂是否響應穿過的引力波，做出相應的長度變化。圖片來源：LIGO
幾年前，海爾曼意識到超穩定玻璃可能適用於LIGO鏡麵，因為它可以減少目前困擾的噪音問題。超穩定矽沒有用，因為它會吸收大量1微米波長的光，也就是LIGO激光的波長。在過去的兩年內，海爾曼團隊還嚐試了二氧化矽、二氧化碲（碲玻璃），二氧化硒（硒玻璃）和二氧化鍺（鍺玻璃）。
馬丁和他格拉斯哥的團隊則將研究重點放在了尋找缺乏特定分子結構的玻璃上。這種特定結構是四個分子構成的金字塔狀，其中兩個分子也是另一四麵體的一部分。去年與斯坦福大學研究人員的合作研究表明，與相鄰四麵體隻共享一個分子的結構相比，這樣的排列會產生更多噪音，也許是因為它們創造出更多的雙構型係統。而鍺玻璃有利於低噪聲排列，馬丁認為它是替代LIGO的70層鏡麵中35層鉭玻璃層的理想材料。鍺玻璃本身反射的光非常非常少，但摻入鈦元素有助於改善這種情況。（其他35層仍然保留當前的二氧化矽玻璃。）


圖片來源：Pixabay
馬丁表示，目前為止另一方案就是在某些層中使用海爾曼的超穩定矽玻璃。他和他的合作者已經找到了辦法，降低矽對LIGO工作波長段的光吸收。他說：“我們認為它已經足夠低了，實際上可以使用。”但它隻能用在鏡麵底層，那裏大部分光已經被反射，剩下的吸收量就很小，不足以構成問題。“它甚至可能和鍺玻璃結合在一起使用，把鍺玻璃和二氧化矽玻璃放在鏡麵的上半層，下半層則是超穩定矽玻璃和二氧化矽玻璃。”馬丁補充說。
“在我們確定哪種玻璃保護層能使用之前，仍然有許多工作要完成。”馬丁說，而該項目的所有實驗研究仍在無限期擱置中。
當然，如果完美、超穩定、零吸收的玻璃在截止日期之後被發現，這也可能改變LIGO的進程。海爾曼總結說：“如果我們能夠把噪音降低一個數量級，他們就得計劃再次停機（升級）了。”
作者：Natalie Wolchover
翻譯：阿金
審校：戚譯引
引進來源：Quanta Magazine
引進鏈接：https://www.quantamagazine.org/to-make-the-perfect-mirror-physicists-confront-the-mystery-of-glass-20200402/


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