2017年诺贝尔物理学奖，颁发给了美国物理学家外斯(Rainer Weiss), 巴里什(Barry Clark Barish) 和 索恩(Kip Stephen Thorne), 以表彰他们为LIGO 探测器建设以及引力波探测所作出的贡献。

蹭点热度，介绍下LIGO测量引力波的方法。

笔者从事IT工作多年，当年老师教的知识也还的差不多了。 讲的不准确的地方，大家海涵。

引力波

根据爱因斯坦的广义相对论， 引力场是时空中的曲率。 质量在时空中运动，引起了曲率的变化。这种变化会以光速向外传播，这种时空波动的涟漪就是引力波。

并不是所有的运动都会产生引力波，必须是非对称的运动造成了四极矩随时间变化才能产生引力波。举个例子，如果你转一只铅笔。如果沿着铅笔芯转，就不会产生引力波。但在指尖进行转笔。就会引起引力波动了。

当引力波经过地球的时候，我们整个时空，当然也包括所有的物体，每个人都被拉伸，压缩；再拉伸，再压缩。

这时候，空间中的两个物体的距离会发生变化。但两个物体之间的距离变化不需要任何的作用力。变化的是空间本身！

想象图，引力波通过地球时，地球被“压”变形

因此，只要我们看到两个物体之间的距离变化了， 并且在这个过程中物体并没有受力，我们就知道是引力波来了。

引力波的探测原理

引力波的探测有两个难点：

• 探测两个物体的距离， 我们不能用普通的尺子。因为，引力波通过时候，空间中一切物体都会变形，一般的尺子也会变形，拿尺子量是无法测量出物体之间距离变化的。

• 引力波强度和传播距离成反比，导致宇宙深处传来的引力波引起空间应变很小。 2015年9月LIGO检测到的引力波应变也只有10^-21 . 也就是说1米的物体，只会被压缩或拉伸10^-21米。 与此对比， 一个质子的点和半径大约是10^-15米。检测如此之小的形变，几乎是天方夜谭

解决这两个难题，需要利用到Michelson光干涉仪。 他的基本原理如下图。

Michelson光干涉仪光路图

光源发出激光，通过分束器，分别把相关光射向两个平面镜。光到达平面镜后，经过反射再返回到光学分束器合并之后，在检测器上呈现了相干图像。

光在干涉仪中有两个光路，一个走过光程A，另一个走过光程B。光程差是光波长的整倍时，就会出现相长的干涉图像。如果是光程差是光波长的0.5 1.5 2.5倍时，就会出现相消的干涉图像。 只需要观察相干图像的明暗变化，就知道平面镜和分束器的距离出现变化了。

对于前面提到的两个难题

• 光速是最基本的宇宙常量，具有不变性，光波长不会随着空间的变形而变形。 所以引力波经过地到球的时候，平面镜到分束器的距离变了。由于光程A和光程B是垂直方向，两个方向变化幅度不一致，而光波长不变，我们就能看到相干图像的明暗变化了。
• 由于引力波的变化太小，实际上光程A与B之间的光程差变化也很小。真实的干涉仪的干涉臂需要修的很长，并且让光在干涉臂反复折返才能累计足够的光程差。

LIGO ， 不是乐高 (LEGO) :-)

激光干涉引力波天文台（英语：Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，缩写：LIGO）是一个超大规模的激光干涉仪。

• LEGO 有两个4KM 的干涉臂
• 为了提升精度，LEGO让光在干涉臂里跑280圈，才进行合并干涉
• 为了数据的准确性，确认距离变化是引力波而不是其它干扰，如地震，引起的。一共建立了两个一摸一样的LIGO，一个在美国的西北角，一个在美国的东南角落。只有两个实验室，在相差7ms（引力波在两个LIGO之间传播的时间）里看到一模一样的测试结果，才算是有效的。

两个LEGO 一个在华盛顿，一个在路易斯安那 Google maps上看到的两个四公里的干涉臂 再来张实景

LIGO“听”到了什么

• 两个LIGO在时间间隔7ms，发现了一摸一样的震动波形。 震动频率在8个来回从35Hz增加到250Hz.
• 据科学家分析（我是完全不懂), 这是13亿光年外，也就是13亿年以前。 两个质量分别为36倍太阳质量和24倍太阳质量的黑洞合并放出的。由于黑洞的引力场如此强大，合并中减少的3.05倍太阳质量的能量不能由电磁波传出，几乎全部以引力波形式传出。传了13亿年，传到了地球！
• 黑洞合并之后，新的黑洞本身再怎么旋转， 四极矩不再剧烈变化（就像前面提到的铅笔沿着自己的笔芯旋转），引力波也就消失了。

两个黑洞互相绕着旋转，越转越快，最后合并了

参考文献

1. Wikipedia : 激光干涉引力波天文台
2. Youtube: The Absurdity of Detecting Gravitational Waves， 强烈推荐去看