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这些黑科技，让LIGO笑到最后发现引力波

　　五花八门的引力波探测器中，为什么是 LIGO 真的笑·笑出声·笑到了最后？

　　1、引力波探测器的分类

　　爱因斯坦同志 1916 年就提出引力波这茬了，到六十年代左右，就有人开始琢磨怎么探测引力波。最早的引力波探测器长这样：

韦伯教授在调试他的引力波探测器（1965 年）

　　一个大铝筒。基本原理是，如果引力波的频率跟铝筒的共振频率一致，会引起它的显著收缩-拉伸。旁边的人叫 Joe Weber，公认的引力波探索先驱。他曾在 1969 年宣布，用这台机器测到了引力波。

　　但是同行重复他的实验，没有一个能重现这一结果的。所以大家认为他搞错了。

　　这次测到的引力波的振幅是 10^-21。很明显，用越大的数字去乘这个 10^-21，会得到一个越大的结果。这个铝筒这么小，显然得不到什么结果。要知道 LIGO 的臂长就有 4 km，内部更是让光路反射了 400 次，激光光路长度达到 1600km，这么大的数去乘那个 10^-21，才勉强得到一个大约跟质子半径一个量级的变化。所以这种几十年前的棒状引力波探测器，显然不可能有什么结果。

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　　后来人们发展出了激光干涉仪为原理的探测器。代表就是美国的 LIGO 和欧洲的 VIRGO。

　　基本原理是，把引力波扫过导致的长度变化，转变为激光干涉结果的光强变化。“干涉”几乎是精密测量的“作弊器”，不用什么别的工具，我们能通过手机贴膜贴合不均匀处的干涉条纹，直观看出贴合间距的微小变化。LIGO 也能通过测量两束相干红外激光的干涉光强，判断激光臂长的极微弱变化。

　　同样的原理，放到天上，能得到更长的臂长：长达数万公里。这样引力波导致的变化将更加明显。所以美欧提出了 LISA 计划，中国也提出了天琴计划，都是打算发射空间卫星，组成干涉仪网络，进行长距离的干涉测量。

　　更长的臂长——就只能靠天上本来就有的东西了：脉冲星、微波背景辐射。脉冲星的周期会受到经过的引力波的扰动，而微波背景辐射里，据信留有宇宙大爆炸时原初背景辐射的印迹。它们也可以用于示踪引力波。

　　波速不变的话，波长与频率成反比。臂长越长，对越长的波长更敏感，也就是对更低的频率更敏感。所以 LIGO、LISA、脉冲星、微波背景辐射，它们分别示踪一系列不同频率的引力波信号，彼此互为补充，不能相互替代。

　　其中，LIGO 这种几公里基线的激光干涉仪，对频率~100 的信号最敏感——这正是双黑洞、双中子星等双致密天体并合前的一瞬发出的引力波的频率。我们前面说过，这种双星并合事件的引力波最有独特特征，最容易识别，因此不难理解，是 LIGO 抢先探测到了引力波。

　　而 LISA、天琴就要低频一些了，它们对频率为~10^-2 到~10^-4 的信号最敏感。因此它们更适合寻找银河系中相对慢速绕转的双致密星，以及因身材庞大而转不快的超大质量双黑洞。

　　脉冲星适合探测频率~10^-8 的引力波，宇宙微波背景辐射更是只能探测~10^-16 次方这样极端低频的引力波。以上所有这些，就像是工作在不同的电磁波段一样，共同描绘出完整的引力波的多彩世界。

　　2、LIGO 的黑科技

　　就算 LIGO 的臂长对应的引力波频率跟双黑洞并合刚好一致，就算干涉原理吊炸天，凭什么 LIGO 可以测得出千分之一个质子半径的细微变化？

　　大陆板块在移动。大海在拍击着全球的洋底。大气呼号着。整个北美大陆的汽车轰鸣着。蚂蚁军团就在隔壁掀起了一场灭国之战。想要把所有这些噪声隔离开，专心倾听来自十几亿光年外、振幅为千分之一质子半径的波动？

　　太平洋上台风肆虐，我在上海的岸边扔了一粒石子，请你在加州海滩上测出它的涟漪。

　　1）隔离震动

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　　发布会上，Weiss 演示了 LIGO 隔绝震动的基本原理：当你高频摇动一个摆的绳端，摆并不会跟你一起摇动，反而会维持稳定。

　　当你把这招用到极致，就是这样：

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　　左图是升级改造前的 LIGO：反射镜仅有 25 厘米直径，用两根钢丝吊起。而右图中，升级改造后的 Advanced-LIGO，使用了远为复杂的机构，和更大、更重的反射镜，来最小化反射镜本身的晃动。

　　而这个东西，是吊在这里面的：

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震动隔离平台。主动减震。

　　2）干涉

　　我想你已经知道了什么是干涉——如果不知道的话，看下图：

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　　两束光，峰谷对应，得到的光峰谷分别加强，总光强更强；峰谷错位相消，则最后什么光都没有剩下。

　　这样，光强极为灵敏的显示了两束光的峰谷之间的细微差距。

　　3）功率倍增器

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　　激光越强，干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果，LIGO 需要 750 千瓦的激光功率——但 LIGO 激光功率其实只有 200 瓦——为将此功率倍增，LIGO 让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射，并将反射后强度叠加后的光原路输回原光路，形成所谓“能量循环”，满足了 LIGO 的功率要求。

　　4）镜子

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