引力波激光原理（LIGO的激光可以看到引力波）

• 处女座（(Virgo)）引力波探测器的鸟瞰图，位于比萨（意大利）附近的卡西纳。处女座是一个巨大的迈克尔逊激光干涉仪，臂长3公里，与双4公里LIGO探测器相得益彰。这些探测器对距离的微小变化很敏感，这是特定频率范围内引力波振幅的函数。

几年前，我们终于取得了人类历史上最伟大的科学成就之一：直接检测引力波。 尽管引力波是爱因斯坦广义相对论在1915年提出的一项早期预测，但整整一个世纪才直接发现了它们。

我们实现这一梦想的方式是通过美国激光干涉引力波天文台(LIGO)、欧洲“处女座”(Virgo)引力波探测器和日本神冈引力波探测器(KAGRA)共享的卓越设计：

• 分离光，使其沿两个相互垂直的激光臂向下传播，
• 快速连续地多次反射该光，
• 然后重新组合光束以查看干涉图样。

当足够强的引力波以恰当的频率通过时，臂会交替伸缩，从而改变干涉图样。但是光不会膨胀和收缩吗？令人惊讶的答案是"不"，以下就是原因。

• 图：如果臂长相同且沿两个臂的速度相同，则沿两个垂直方向传播的任何东西都将同时到达。 但是，如果在一个方向上有一个有效的逆风/顺风，或者臂的长度相对于彼此变化，则到达时间会有所滞后。

上图显示了迈克尔逊干涉仪的原理。1881年，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）试图探测以太，以太被认为是光波传播的媒介。在狭义相对论发现之前，假定所有波都需要一种介质来传播，例如水波或声波。

迈克尔逊（Michelson）构造了这样的干涉仪，其原理是地球以大约30 km / s的速度在围绕太阳的太空中行进。由于光速为300,000 km / s，他预测他会看到干涉仪产生的干涉图样，该干涉图样取决于设备相对于地球运动所对准的角度。

• 图：如果将光分割成两个垂直的分量，并将它们重新组合在一起，它们将产生干扰模式。如果有光线穿过的介质，干扰模式应取决于设备相对于该运动的定向方式。

只是，迈克尔逊以比预期的效果好得多的精度进行了实验：大约好40倍。 但是迈克尔逊一无所获，这表明以太不存在，至少不是物理学家思考它的方式。迈克尔逊（Michelson）于1907年被授予诺贝尔物理学奖，这可以说是唯一 一次为实验性“零结果”颁奖的奖项。

这提供了证据，光速对所有观察者都是相同的，而与沿光传播方向相对，垂直，相对于或垂直于光传播方向的任何其他运动无关。只要在一个特定方向上创建了干涉图样 ，无论您如何定向探测器，它都应保持不变。

• 图：相对论为真（底部，虚线）的预期相比，迈克尔逊干涉仪（顶部）显示出的光图案（底部，实心）变化可忽略不计。 无论干涉仪朝向哪个方向，包括与地球运动垂直或对抗太空的运动，光速都是一样。

但是，相对于另一条臂延长或缩短一条臂，将会改变路径长度，从而改变我们看到的干涉图样。如果将远端的反射镜移动到离近端更近或更远的位置，则该波产生的峰谷-峰谷-峰谷模式将有微小变化。但是，如果在臂长恒定的情况下保持设备稳定，则该模式根本不会改变。

首先，为了建立引力波实验，这些条件需要满足。必须正确配置和校准探测器，考虑来自所有来源的干扰，并将灵敏度降低到可以检测出引力波会引起的微小臂长变化的点。经过几十年的努力，LIGO 是第一个达到干扰阈值的引力波探测器，该干扰阈值可以产生物理的、可观测的效果。

• 图：“尖峰”来自各种干扰源。 随着LIGO的灵敏度变得越来越好，并且随着越来越多的探测器投入使用，我们的能力使我们能够探测整个宇宙中更多的此类波以及产生这些波的灾难性事件。

你应该听说过光是电磁波。光由相中、振荡、相互垂直的电场和磁场组成，这些场能与附近电磁耦合的任何物质相互作用。

同样，还有一个引力模拟：引力波。这些波纹以与光（c） 相同的速度在太空中移动，但不会产生与粒子相互作用而产生的可检测特征。相反，它们交替拉伸和压缩它们，且以相互垂直方向穿过的空间。当引力波穿过一个空间区域时，任何空间体积在一个维度上经历膨胀，并伴有垂直方向的罕见压缩。然后，波以频率和振幅振荡，就像任何其他波一样。

• 图：引力波在一个方向上传播，在相互垂直的方向上交替拉伸和压缩空间，这是引力波的极化定义。 在引力的量子理论中，引力波本身应该由引力场的单个量子（引力子）构成。 尽管引力波可能会在空间上均匀分布，但振幅（1 / r）才是探测器的关键，而不是能量（1 / （r ^ 2））。

这就是为什么我们的引力波探测器构造成具有垂直臂的原因：因此，当波通过它们时，两个不同的臂将受到不同的影响。 当引力波通过时，一只臂压缩而另一只臂膨胀，然后反之亦然。

考虑到地球的曲率，LIGO，Virgo和KAGRA探测器彼此成角度。它们全部同时工作时，无论入射波的方向如何，多个探测器将对引力波信号敏感。只要电波本身通过探测器（并且没有已知的方法可以使自己免受引力波的干扰），它就应该以可检测的方式影响臂的路径长度。

但这就是难题所在：如果空间本身是正在膨胀或压缩的东西，那么穿过探测器的光线是否也应该在膨胀或压缩吗？ 如果是这样的话，光线是否不应该像不存在引力波的情况那样，以相同值的波长通过探测器？

这是一个真正的问题。 光是波，定义任何单个光子的是它的频率，它又定义了它的波长（在真空中）和能量。 光线随着其占据的空间伸展（对于红色）或收缩（对于蓝色）而发生红移或蓝移，但是，一旦波完成通过，光将恢复到其原始状态时的波长。

似乎光应该产生相同的干涉图样，而与引力波无关。

• 图：LIGO 和 Virgo发现了一个新的黑洞群，其质量比以前单独进行X射线研究（紫色）时看到的要大。该图显示了运行II结束时LIGO /Virgo检测到的十次双星黑洞合并的质量（蓝色），以及从当时看到的一次中子星与中子星合并（橙色）的质量。

引力波探测器的工作不仅有效，而且还确定了黑洞与黑洞合并的显着特征，使我们能够重建合并前和合并后的质量、距离、在天空中的位置以及许多其他属性。

理解这一点的关键是忘记波长并专注于时间。是的，波长实际上取决于引力波通过时空间的变化。这些红移和蓝移是真实的，但不变的是真空中的光速，始终为299,792,458 米 / 秒。如果压缩一只臂，光的传播时间会缩短；如果将其展开，则光旅行时间会延长。

并且，随着相对到达时间的变化，我们可以看到在真实引力波事件期间，（重构的）干涉图样如何随时间移动的振荡图样。

• 图：在运行II结束时，LIGO 和 Virgo观察到的合并黑洞的可视化效果的静止图像。随着黑洞的视界一起旋转并合并，发出的引力波变得更大（振幅更大）和音调更高（频率更高）。合并的黑洞范围从7.6太阳质量到50.6太阳质量，每次合并期间损失的总质量约占5％。波的频率受宇宙膨胀的影响。

当在每个激光脉冲开始时，分开的两个垂直光束在探测器中重新组合时，它们会形成我们观察到的临界干涉图。 如果在任何一点上臂长都有差异，那么这些光束的传播时间将有所不同，因此干涉图案将发生偏移。

这就是为什么我们使用光束而不是单个光子的原因。 如果同时发射一对光子并沿垂直臂向下传播，则看到最短累积路径长度的光子将首先到达：在其伙伴光子之前，将看到更长的累积路径长度。

但是波是连续的光源。 即使到达时间相差仅10^(-27)秒，也足以导致最初调谐以使干涉图消失的两个波，以明显的振荡失配出现，从而产生临界信号。

• 图：当两个臂的长度完全相等，并且没有引力波通过时，信号为零，并且干涉图样是恒定的。 随着臂长的变化，信号是真实且振荡，并且干扰模式会以可预测的方式随时间变化。

您可能仍然担心光的红移和蓝移效应，以下两个原因可以忽略它们：

1. 即使光的波长在其传播过程中发生变化，但所有波长的所有光（至少在真空中）都以相同的速度传播。
2. 即使光的波长逐点变化，这些变化也是瞬态变化。当它们到达探测器的空间相同点时，它们将再次具有相同的波长。

这是所有这些中的关键，重要的一点：红光（长波长）和蓝光（短波长）都需要花费相同的时间才能穿越相同的距离。

• 图：​光子的波长越长，能量越低。 但是所有光子，无论波长/能量如何，都以相同的速度移动：光速。 覆盖特定的指定距离所需的波长数量可能会发生变化，但是两者的光传播时间是相同的。

事实是，当引力波通过探测器时，它会改变两个相互垂直的臂的相对路径长度。路径长度的变化会改变每个光量子的所需光传播时间，从而导致到达时间不同，并导致所产生的干涉图样发生偏移。由于两个手臂的长度一起变化，因此我们可以使用该信息来重构在远处产生的引力波的特性。

理解其工作原理的关键因素是一束光束在设备中的停留时间略长，因此，当光束到达检测器时，它与对应的光束略有异相。这种微小的时间偏移是由于LIGO（以及Virgo和KAGRA）的臂压缩了质子宽度的0.01％而引起，在当前的Run III中，目前已被用于寻找许多新的合并事件。引力波现在是一门生机勃勃的观测科学，现在您已经了解引力波探测器工作原理！