五花八門的引力波探測器中，為什么是LIGO笑到了最后？

　　從2015年9月至今，“引力波之發現”的消息像一只調皮的幽靈，以形形色色的版本穿梭于天文和物理學界，它時隱時現，像劑量不斷增強的興奮劑，一次次激起人們的窺探欲。在北京時間2月11日晚11點30分，美國國家科學基金會就探測引力波的研究進展進行報告。LIGO科學合作組織面向全社會宣布，LIGO首次直接探測到引力波和首次觀測到雙黑洞碰撞與并合，科學家直接探測到了引力波！

　　五花八門的引力波探測器中，為什么是LIGO笑到了最后？

　引力波探測器的分類

　　愛因斯坦同志1916年就提出引力波這茬了，到六十年代左右，就有人開始琢磨怎么探測引力波。最早的引力波探測器長這樣：

　　一個大鋁筒。基本原理是，如果引力波的頻率跟鋁筒的共振頻率一致，會引起它的顯著收縮-拉伸。旁邊的人叫Joe Weber，公認的引力波探索先驅。他曾在1969年宣布，用這臺機器測到了引力波。

　　但是同行重復他的實驗，沒有一個能重現這一結果的。所以大家認為他搞錯了。

　　這次測到的引力波的振幅是10^-21。很明顯，用越大的數字去乘這個10^-21，會得到一個越大的結果。這個鋁筒這么小，顯然得不到什么結果。要知道LIGO的臂長就有4 km，內部更是讓光路反射了400次，激光光路長度達到1600km，這么大的數去乘那個10^-21，才勉強得到一個大約跟質子半徑一個量級的變化。所以這種幾十年前的棒狀引力波探測器，顯然不可能有什么結果。

　　后來人們發展出了激光干涉儀為原理的探測器。代表就是美國的LIGO和歐洲的VIRGO。

　　其基本原理是，把引力波掃過導致的長度變化，轉變為激光干涉結果的光強變化。“干涉”幾乎是精密測量的“作弊器”，不用什么別的工具，我們能通過手機貼膜貼合不均勻處的干涉條紋，直觀看出貼合間距的微小變化。LIGO也能通過測量兩束相干紅外激光的干涉光強，判斷激光臂長的極微弱變化。

　　同樣的原理，放到天上，能得到更長的臂長：長達數萬公里。這樣引力波導致的變化將更加明顯。所以美歐提出了LISA計劃，中國也提出了天琴計劃，都是打算發射空間衛星，組成干涉儀網絡，進行長距離的干涉測量。

　　更長的臂長——就只能靠天上本來就有的東西了：脈沖星、微波背景輻射。脈沖星的周期會受到經過的引力波的擾動，而微波背景輻射里，據信留有宇宙大爆炸時原初背景輻射的印跡。它們也可以用于示蹤引力波。

　　波速不變的話，波長與頻率成反比。臂長越長，對越長的波長更敏感，也就是對更低的頻率更敏感。所以LIGO、LISA、脈沖星、微波背景輻射，它們分別示蹤一系列不同頻率的引力波信號，彼此互為補充，不能相互替代。

　　其中，LIGO這種幾公里基線的激光干涉儀，對頻率~100的信號最敏感——這正是雙黑洞、雙中子星等雙致密天體并合前的一瞬發出的引力波的頻率。我們前面說過，這種雙星并合事件的引力波最有獨特特征，最容易識別，因此不難理解，是LIGO搶先探測到了引力波。

　　而LISA、天琴就要低頻一些了，它們對頻率為~10^-2到~10^-4的信號最敏感。因此它們更適合尋找銀河系中相對慢速繞轉的雙致密星，以及因身材龐大而轉不快的超大質量雙黑洞。

　　脈沖星適合探測頻率~10^-8的引力波，宇宙微波背景輻射更是只能探測~10^-16次方這樣極端低頻的引力波。以上所有這些，就像是工作在不同的電磁波段一樣，共同描繪出完整的引力波的多彩世界。

　　LIGO的黑科技

　　就算LIGO的臂長對應的引力波頻率跟雙黑洞并合剛好一致，就算干涉原理吊炸天，憑什么LIGO可以測得出千分之一個質子半徑的細微變化？

　　大陸板塊在移動。大海在拍擊著全球的洋底。大氣呼號著。整個北美大陸的汽車轟鳴著。螞蟻軍團就在隔壁掀起了一場滅國之戰。想要把所有這些噪聲隔離開，專心傾聽來自十幾億光年外、振幅為千分之一質子半徑的波動？

　　太平洋上臺風肆虐，我在上海的岸邊扔了一粒石子，請你在加州海灘上測出它的漣漪。

　　1.隔離震動

　　發布會上，Weiss演示了LIGO隔絕震動的基本原理：當你高頻搖動一個擺的繩端，擺并不會跟你一起搖動，反而會維持穩定。

　　當你把這招用到極致，就是這樣：

　　左圖是升級改造前的LIGO：反射鏡僅有25厘米直徑，用兩根鋼絲吊起。而右圖中，升級改造后的Advanced-LIGO，使用了遠為復雜的機構，和更大、更重的反射鏡，來最小化反射鏡本身的晃動。

　　而這個東西，是吊在這里面的：

　　震動隔離平臺。主動減震。

　　2.干涉

　　我想你已經知道了什么是干涉——如果不知道的話，看下圖：

　　兩束光，峰谷對應，得到的光峰谷分別加強，總光強更強；峰谷錯位相消，則最后什么光都沒有剩下。

　　這樣，光強極為靈敏的顯示了兩束光的峰谷之間的細微差距。

　　3.功率倍增器

　　激光越強，干涉產生的圖樣越清晰易測量。為了保證效果，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其實只有200瓦——為將此功率倍增，LIGO讓入射的激光首先在很多鏡面之間來回反射，并將反射后強度疊加后的光原路輸回原光路，形成所謂“能量循環”，滿足了LIGO的功率要求。

　　4.鏡子

　　純二氧化硅打造，每300萬個光子入射，只有1個會被吸收。一個字，亮。

　　5、真空

　　LIGO的激光臂全部在真空腔內，其真空腔體積在地球上僅次于LHC（歐洲的大型強子對撞機），氣壓僅為萬億分之一個大氣壓。

　　6、反射

　　有如上所述的強激光、超潔凈的鏡片和真空環境，LIGO才能無所畏懼的讓激光在4 km臂中反射了400次再進行干涉——這極大的增加了LIGO的有效臂長，讓它能以1600 km的臂長，探測更低頻的信號，并且得到更顯著的測量結果。

　　發布會上，美國人表示“LIGO是世界上最精密的測量儀器”，誠哉。（編輯：Sol_陽陽）