引力波研究科学家：引力波究竟是如何被探测到的，为什么值得我们泪流满面？

引力波探测有多难？很难很难很难，引力波探测是一个世界性的大项目，集合和人类在物理、工程、数学、计算机方面最先进的理论、技术、和智慧。人类穷尽所能为了探测到那4公里长度里面小于原子核尺度的那个时空涟漪。关于探测有多艰难，之后会再更新。

引力波的存在性，在广义相对论提出之后，在上个世纪40年代曾受到不少物理学家的质疑。虽然不久之后质疑渐渐消去，但是当大部分的物理学家认为，引力波如此微弱，是不可能探测到的。第一个对直接探测引力波作为伟大尝试的人是约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）。早在上个世纪50年代，他第一个充满远见地认识到，探测引力波不是没有可能。从1957年到1959年，韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。最终，韦伯选择了一根长2m、直径0.5m、重约1吨的圆柱形铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器，被业内称为共振棒探测器（如下图）：

图：韦伯和他设计的共振棒探测器。引力波驱动铝棒两端振动，从而挤压表面的晶片，产生可测的电压。

当引力波到来时，会交错挤压和拉伸铝棒两端，当引力波频率和铝棒设计频率一致时，铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有很明显的局限性，比如他的共振频率是确定的，虽然我们可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。但是对于同一个探测器，只能探测其对应频率的引力波信号，如果引力波信号的频率不一致，那该探测器就无能为力。此外，共振棒探测器还有一个严重的局限性：引力波会产生时空畸变，探测器做的越长，引力波在该长度上的作用产生的变化量越大。韦伯的共振帮探测器只有2m，强度为1e-23的引力波在这个长度上的变化量实在太小，对上世纪五六十年代的物理学家来说，探测如此之小的长度变化确实非常困难。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河，在他之后，很多年轻又富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。

在韦伯设计建造共振棒的同时期，有部分物理学家认识到了共振棒的局限性，有一种基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波探测方案在那个时代被提出。到了70年代，MIT的外斯（Rainer Weiss）以及马里布休斯实验室的佛瓦德（Robert Forward），分别建造了引力波激光干涉仪。到了七十年代期，这些干涉仪已经成为共振棒探测器的重要替代者。

图：引力波激光干涉仪的工作原理

引力波激光干涉仪的基本思想，可以简单理解为有四个测试质量被悬挂在天花板上，一束单色、频率稳定的激光从激光器发出，在分光镜上被分为强度相等的两束，一束经分光镜反射进入干涉仪的Y臂，另一束透过分光镜进入与其垂直的另一X臂。在经历了相同的时间之后，两束光返回，并在分光镜上重新相遇，产生干涉。

我们可以通过调整X、Y臂的长度，控制两束光是相消的，此时光电二极管上没有光信号。如果有引力波从垂直于天花板的方向进入之后，会对两臂中的一臂拉长，另一臂压缩短，从而两束光的光程差发生了变化，原先相干相消的条件被破坏，有一定数量的光线会进入探测器，得到引力波信号。激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见：首先，激光干涉仪可以探测一定范围的频率的引力波信号一般是（20Hz-3000Hz）；其次，激光干涉仪的臂长可以做的很长，比如地面引力波干涉仪的臂长一般在km的量级，远远超过共振棒的m。

自20世纪 90 年代起，在世界各地，一些大型激光干涉仪引力波探测器开始筹建，引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。这些引力波探测器包括：位于美国路易斯安那州利文斯顿臂长为 4 km 的LIGO（L1）；位于美国华盛顿州汉福德臂长为的 4 km 的 LIGO（H1）；位于意大利比萨附近，臂长为 3 km 的 VIRGO；德国汉诺威（Hannover）臂长为 600 m 的 GEO，日本东京国家天文台臂长为 300 m 的 TAMA300。这些探测器在2002年至2011年期间共同进行观测，但并未探测到引力波。在经历重大改造升级之后，两个高级LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高级探测器网络中的先行者进行观测。此外，欧洲的空间引力波项目eLISA和日本的地下干涉仪KAGRA 的研发与建设也在紧锣密鼓地进行。

图：位于美国路易斯安那州利文斯顿附近的臂长4km的激光干涉仪引力波探测器 LIGO（L1）

左图为位于美国华盛顿州汉福德附近的臂长4km的激光干涉仪引力波探测器 LIGO （H1），右图为 位于意大利比萨附近，由意大利和法国联合建造的臂长为 3 km 的激光干涉仪引力波探测器 VIRGO

图：日本的地下干涉仪KAGRA内部，在山顶下方1000米处。地下岩壁都用防水布包裹，因为里面水太多了。当时有个日本哥们在国际学术会议上做的报告简直就是在卖萌：今天这里水很多，我擦了擦，明天那里出来条小溪，我把它填了......给我感觉他的整个博士阶段就是在拖地。PS:后排左一是我。

一个引力波探测器造价要数亿美刀，非常昂贵。肯定有不少同学会问，为什么我们要花这么多钱在全球各地建造那么多探测器呢？这是是一个非常好的问题！

（编辑：云计算网_泰州站长网）

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