LIGO引力波探测原理

在2月11日，LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器，已经首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。[1] 6月16日凌晨，LIGO合作组宣布：12月26日03:38:53 （UTC），位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号；这是继 LIGO 9月14日探测到首个引力波信号之后，人类探测到的第二个引力波信号。[2] 10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。[3]

引力波是前两年比较火的一个词，原因便是LIGO在人类历史上第一次观测到了引力波，证实了爱因斯坦在百年前的预言。但是大多数人对于引力波是什么并不了解，更不用说LIGO是如何探测到的了。而接下来我就将按照以下几个方面来介绍一下引力波及LIGO引力波探测原理。

迈克尔逊-莫雷实验引力波的提出LIGO是怎么探测的 为什么要先提起这个实验呢，因为我们要说的LIGO的成果便是基于这个实验得来的。而且这个实验在整个近代物理学史上意义重大，甚至可以说是整个近代物理学的开端。

大家应该都知道，开尔文男爵说过当时的物理学有两片乌云，其中一片便是这个迈克尔逊莫雷实验。当时人们认为存在一个绝对静止的参考系，并把它命名为以太。所有相对以太运动的物体都不是绝对静止的，比如地球就是在以太中运动，就像轮船在大海中航行。有了这么一个参考系之后，人们必定好奇地球相对以太的速度，也就是地球的“绝对速度”。具体的实验就是这个迈克尔逊莫雷实验。

迈克尔逊莫雷实验过程：

（图片来源百度百科，作者见水印）

下面我们来介绍一下这个实验的原理。如图所示，实验仪器可简化为一个光源，两个反光镜，一个分光镜和一个观测屏。其中分光镜的作用是可以将光源发出的光分成强度相等两部分，一部分可以透过分光镜并沿原先的方向一直到达反光镜M1，另一部分则会被反射，沿与原先方向垂直的方向到达M2。经过M1，M2反射之后又都回到分光镜，分光镜再次分光，这时M1反射回来的光会有一部分被分光镜反射到观测屏上，而M2反射回来的光也会有一部分被分光镜透射到观测屏上。因为分光镜到M1，M2的距离（设为d）相等，并且到达观测屏的两束光线都经过了一次分光镜的反射，一次分光镜的透射，一次反光镜的反射。因此如果实验仪器是绝对静止的话，那么到达观测屏上时两束光的光程应该是完全相等的。可是如果按照当时的理论，地球相对以太是有速度的，那么实验仪器就不是绝对静止的。我们假设光相对以太的速度为c，地球相对以太的运动的速度为v，并且与光源到M1的方向相同，那么根据伽利略速度叠加原理，就能得到刚经过分光镜透射和到达反光镜M1之前的这段时间里，光相对地球的速度为c - v，反射回来时的速度就是c + v。因此这束光来回的时间就是 dc−v+dc+v\frac{d}{c - v} + \frac{d}{c + v}c−vd​+c+vd​。而另一束光经过分光镜的反射之后，速度方向与v的方向垂直，因此光相对地球的速度就是c2−v2\sqrt{c^2 - v^2}c2−v2​，所以这一束光来回的时间就是2dc2−v2\frac{2d}{\sqrt{c^2 - v^2}}c2−v2​2d​。那么这两束光的光程差就是c(dc−v+dc+v−2dc2−v2)c(\frac{d}{c - v} + \frac{d}{c + v} - \frac{2d}{\sqrt{c^2 - v^2}})c(c−vd​+c+vd​−c2−v2​2d​)，是一个恒定的值。因为两束光是同一光源产生的，光程差又是定值，因此在观测屏上应当发生光的干涉，产生干涉条纹。如果这时旋转实验仪器，那么两束光相对地球的速度就会发生改变，因此光程差也会改变，那么产生的干涉条纹就会发生移动。而我们就可以通过条纹的移动来确定地球相对以太得速度是多少。但是实验结果却很让人失望和震惊：无论怎么旋转实验仪器，两束光线都没有显示出时间差。迈克尔逊和莫雷又进行了多次实验，可依然是否定的结果，后续的实验也只能无奈地取消，并宣告实验“失败”。这时候人们也提出了一些猜想，企图完善以太学说，解释这个实验的现象。有人说地球相对以太是静止的，导致这个实验没有得出任何结果。但这与“地心说”似乎有着一样的色彩，都是把地球放在了宇宙中心。这与当时的主流哲学观念是相违背的，况且地球还有自转，因此这个假设并没有得到人们的支持。还有人提出地球的运动会拖曳这以太运动，致使地球相对周围的以太是静止的。但是地球究竟如何拖曳着以太运动，并且拖曳时为什么不损失能量等等问题都没法作出解答，因此也没有得到人们的认可。在人们一筹莫展的时候，一位伟大的人物发表了一篇比实验结果更让人震惊的论文，推翻了以往建立的物理学大厦，开启了人类物理学史上的新的一页。这个人便是爱因斯坦，论文就是《论动体的电动力学》，提出了大名鼎鼎的狭义相对论。他指出，一切惯性参考系都是等价的，并且光在真空中相对于任何惯性参考系其速度不变，还提出了一系列基于此的推论。爱因斯坦提出的时空观冲击了人类有历史记录以来未曾变过的时空观，人们一时无法接受，纷纷讨论。一些支持他的人毫不吝啬的赞叹，并且加以推论，企图发现新的结论。反对他的人也在仔细研究，想找到漏洞推翻他的假说。而这时的爱因斯坦却并不满意，因为狭义相对论只描述了惯性系下的物理规律，可是小到人的行走，大到地球的运行没有一个是绝对的惯性系，那么非惯性系应该如何解决呢？经过长达十年的思考，爱因斯坦终于提出了更让人震惊的广义相对论。在广义相对论的描述下，有质量的物体会使得周围的时空发生扭曲。倘若物体发生运动，比如两个天体围绕着对方互相旋转，那么就会使周围的时空产生“时空涟漪”，就像被”扭曲“的水面会产生水波向外扩散，而这种“时空涟漪”就是我们所谈论的引力波。这十年间，人们通过种种实验，验证了一个又一个狭义相对论的预言，使得人们认识到了狭义相对论的正确性。这时广义相对论提出，人们也就更愿意相信了。可是相信归相信，正确性还是要考实验来证明。虽然人们通过实验验证了很多广义相对论的内容，甚至以其为基础发展出了核能这种新能源。可是对其引力波的预言一直没有人证实，直到我们要说的LIGO成功的探测。前面介绍了这么多，终于轮到我们的LIGO出场了。LIGO中文名字是“激光干涉引力波天文台”，看到激光干涉是不是很熟悉？没错，LIGO其实也是一个迈克尔逊干涉仪，只不多它比当初迈克尔逊和莫雷做实验时用到的要大得多，同时也精确的多。如果当初迈克尔逊和莫雷也把实验仪器做得这么大的话，说不定真的就证明出了以太存在了。当然这只是开个玩笑，一方面当时的技术不足以制作出这么精确的仪器，另一方面他们的探测方法还是有一些差异的。但其本质的原理基本相同。前面我们说过，迈克尔逊干涉仪可以测量两束光的光程差。但是爱因斯坦指出光速不变，所以迈克尔逊莫雷实验并没有得到预想中的实验现象。而如果有引力波的存在，情况就会变得不一样。我们说过引力波就是“时空涟漪”，所以引力波经过的地方其时空会发生波动，致使光经过时就会影响光程，这时候我们通过迈克尔逊干涉仪就可以捕捉到这细小的变化。LIGO果然不负众望，接连地观测到了两个黑洞合并时的引力波信号，两个中子星合并时的引力波信号，成功为爱因斯坦的预言画上了对号。