史上精度最高:引力波是如何探測的?(全文)_辦公列印評測試用...

1引力波：刷爆的新聞

    【中關村在線原創】春節期間，LIGO，也就是雷射幹涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）直接探測到引力波的新聞刷爆了所有的媒體，完美的驗證了愛因斯坦百年以前廣義相對論的最後預言。關於引力波的科普這些天已經足夠多，就不再贅述，這裡就來說說這個天文臺那部分：什麼是雷射幹涉？這種技術怎麼測量引力波？價值6.2億美元的人類有史以來最精密的設備到底什麼樣？

引力波：刷爆的新聞

    波的幹涉現象算是高中物理的內容。很多人上課的時候，老師都會拿著盛水的器皿，以及兩個點同步擊打水面的設備，來給大家看看兩個同頻率的波紋幹涉後的圖形。

水波幹涉圖案，用來理解波的幹涉

楊氏雙縫實驗的原理

實際看到的幹涉條紋

     更進一步，大學物理會講解更多的關於更短波長的幹涉：光。因為光具有波粒二象性，所以傳播的時候也有幹涉的現象存在。最為著名的就是楊氏雙縫試驗，大學裡面的物理實驗室會演示這個現象。在觀察側面看到的結果，就是明暗相間條文。

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    光的幹涉，當產生半個波長相位上的變化，幹涉條紋也會變化，我們知道光的波長只有幾百納米，這是精密測量的理論基礎。

2LIGO的高精度從何而來

LIGO的高精度從何而來

    天文上的單位，數字都特別大，但是引力波又往往很小。比如以地球的質量，產生的引力波只有200瓦，這是一個非常非常小的數字，而這200瓦在以光年計的距離尺度上，會微弱到幾乎不可測量。這和我們看不到很多星星發出的微弱到光，必須藉助望遠鏡一樣。

LIGO的原理

    因此，要探測到引力波，就有兩個條件：1，輻射出來的引力波到達地球的時候信號依舊足夠強；2，探測引力波的設備要足夠精密。事實上，LIGO的精度極高，能探測到千分之一個質子直徑尺度上的變化，這是因為只有這個精度，才能探測到「很強」的引力波。也就是0.000000000000000000001米尺度上的變化。

LIGO的兩個臂，每個長度4公裡

    引力波如何探測？上面這張圖就是LIGO的一個天文臺，可以看到有兩個相互的垂直的臂，它們每個臂的長度有4公裡，大功率雷射器發出的很純的雷射，在裡面要反射50次左右。為了儘可能的抵消熱變化帶來的誤差，這兩個臂裡面要抽成真空度極高的真空，內部的大氣壓只有10的-12次方。

LIGO內部，相當複雜與精密，科研人員的裝逼酷似英特爾無塵車間的工作人員

LIGO探測到的引力波信號，來自兩個不同的觀測站，有極高的相似度，並於預言相符合

    抵消掉這些因素，由於兩個臂是垂直的，因此對於引力波，會產生垂直和水平兩個方向上不同的影響，哪怕這個影響遠小於質子的直徑，這些變化導致雷射幹涉的條紋就會發生變化，被儀器記錄下來。

3簡單的原理

簡單的原理

    LIGO用的是什麼？其實是幹涉儀。這種設備誕生的時間已經很長了。其中一種叫做麥可孫幹涉儀的設備原理如下面的圖。

麥可孫幹涉儀

麥可孫幹涉儀的原理

氦-氖雷射經過麥可孫幹涉儀後產生的幹涉紋

    可以看到雷射經過半透膜的變化後，光路會一分為二，當有了引力波的時候，光程差會發生變化，產生幹涉條紋的變化。麥可孫幹涉儀誕生之初就推翻了當時物理學界的一個所謂的概念：以太，因為不同方向上的變化不會導致幹涉條紋的變化，也就不存在所謂的以太風。

法布裡－珀羅幹涉儀

法布裡－珀羅幹涉儀的原理

法布裡－珀羅幹涉儀的幹涉圖樣

    當然，除了麥可孫幹涉儀，LIGO還用法布裡－珀羅幹涉儀，下面的是它的原理圖。這種幹涉儀在LIGO中的作用是存儲毫秒量級上的光子，形成多次反射，進而提升LIGO的精度。而事實上，LIGO目前也沒有達到最初設計的精度，只是初代LIGO的升級版本，因為這種高精度的設備是90年代後才逐步開始有的，LIGO的精度要進行最後的升級之後，到2021年才能達到最終的理想精度。

4太精確了怎麼分析數據？

太精確了怎麼分析數據？

    由於LIGO的靈敏度極高，因此我們人從旁邊走過，或是氣溫的變化引起管道微觀尺寸上的變化，也會引起如此精密的設備產生波動。為了消除這種誤差，LIGO雖然名字上是一個天文臺，但是其實是兩套設備……

LIGO兩套設備相距3000公裡，建造方是美國自然科學基金、加州理工以及麻省理工

    這兩套一樣的設備，分別位於美國路易斯安那州和利文斯頓和華盛頓州的漢福德。兩者之間的距離大約為3000公裡。它們採集到的數據會被同時送到超級計算中心進行數據分析。如果我影響了華盛頓那臺LIGO，顯然不會影響路易斯安那州那臺，因此通過軟體上的數據算法，可以過濾掉大量無關的數據，進而去蕪存菁。

LIGO需要等待超強引力波輻射的機會，這次恰逢兩個黑洞合併

    但依然需要等待機會。我們之前說過，需要足夠強的引力波。這次公布的結果就是兩個黑洞合併之後，產生了質量上的虧損，進而輻射出超前的引力波。這次的兩個黑洞，虧損了3個太陽質量，轉化成引力波，才被探測到。知道原子彈原理的人都知道，能量來自質量虧損，然後由質能方程得到釋放的能量有多大。人類歷史上造出的最大氫彈，前蘇聯的沙皇氫彈，也不過27噸，可以想像3個太陽質量的巨大能量有多大。但這麼大的能量，傳輸13億光年到了地球，依舊需要LIGO這種超高精度的設備，而產生的引力波帶來的影響，只有1個電子直徑的長度。

5百年理論的世紀驗證

百年理論的世紀驗證

    愛因斯坦的廣義相對論我們通常理解都是文字表面上的，但是事實上是艱深的數學公式。而如同我們的X平方=4，X=2，引力波其實是相對論方程的一個解。

重力透鏡現象

重力的透鏡現象，被稱之為愛因斯坦環

    愛因斯坦的相對論如此的不可思議，以至於理論與實際的驗證持續了百年。由於重力的透鏡效應可以通過天文觀測觀察到，現在已經有了很多實際觀測的圖片，上面就是光線如何被重力影響改變的原理以及實際拍攝到的愛因斯坦環。

愛因斯坦之後，還沒有如此成就的偉人出現，帶領全人類科技進步

    只是這百年前的理論預言中的引力波，後人通過一個世紀的努力，不斷的改良探測設備的精度，最終實現了可靠、可信的觀測數據，證明了理論物理的偉大，同時試驗物理學家也給我買打開了觀測這個世界的另外一個窗口。

愛因斯坦當年相對論的手稿

    麻省理工學院的校長很少寫公開信。這次引力波的發現，MIT校長的公開信中提到："我們今天慶祝的發現體現了基礎科學的悖論：它是辛苦的、嚴謹的和緩慢的，又是震撼性的、革命性的和催化性的。沒有基礎科學，最好的設想就無法得到改進，「創新」只能是小打小鬧。只有隨著基礎科學的進步，社會也才能進步。"

    相比LIGO這種耗資巨大的基礎科學研究項目以及取得的卓越科研成果，再回頭看IT屆的領袖們開新聞發布會的時候，一個個襯衫T恤衫牛仔褲講PPT的所謂領袖們嘴裡輕易蹦出的「顛覆」與「變革」，你一定會發出會心一笑。