上次介绍了引力波的基本知识和 LIGO 的用途。今天来讲讲 LIGO 原理，工程技术上的突破和巅峰成就。有多巅峰？好巅峰的😀。如果你觉得测量地球到月球之间的距离误差不超过一张纸的厚度很“巅峰”的话，不好意思，这精度连小山包都算不上，远远落后于 LIGO 测量精度的巅峰。
LIGO 原理
LIGO 是 Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory（激光干涉引力波观测台）的缩写。它是由美国国家科学基金（NSF）出资，麻省理工（MIT）和加州理工（Caltech）共同建造的。它是世界上第一台探测到引力波的观测仪器。
LIGO 原理并不是特别深奥，但工程上的难度大到难以想象。先说一下原理。
图1：LIGO的原理图（来源）
LIGO 发射一束激光（图1中左边的盒子）指向中央的分光镜，把激光分成垂直的两份。两束激光穿过同样长短的两条通道后打在两面反光镜上返回至中央分光镜的另一半上。根据光路可逆的原理，我们知道两束激光打在分光镜上会合二为一。最终合并的激光到达探测头。LIGO 把激光和分光镜经过特殊调制，使得激光在一分为二的时候，两束激光的相位正好相反。接下来，因为它们走过通道的距离是一样的，所以当它们返回并合并的时候，相位仍然是相反的，两束激光正好互相抵消，这样探测器上啥也看不见。见图2：
图2： 两束相位相反的激光互相抵消（来源）
但如果有引力波扫过，引力波会引起一个方向上的空间被拉长，而垂直方向上的空间则会被压缩，这样两个垂直通道大概率有一个被拉长，另一个被缩短。两束激光飞行距离不同，相位有位移，这样大概率不会互相抵消。如果运气好，相位位移半个波长，两束激光相位重合，振幅变成最大，见图3：
图3： 两束相位重合的激光合并（来源）
如此一来，当引力波经过是，探测器优肯发现信号。
是不是挺简单的？那难在何处？
LIGO 技术难点和逆天能力
1）激光通道的长度，建设，和维持
因为引力波是光速传播，速度一丢丢的快，如果两条分光通道不是足够长的话，时空扭曲引起的长度变化太小，使得两束激光的相位不能产生足够大的位移，以至于探测头灵敏度不够而无法探测到变化。所以通道越长越好。但地球是圆的，建设两根极其笔直的几公里长的通道是比较困难的。而且两根通道的长度要极其一致，这也是异常困难。不光是长度测量一致性的难度，就是管道热胀冷缩就有的工程师头痛的了。
同时为了降低干扰，通道里是要维持高真空的，一年四季一刻不能停，因为你不知道引力波会在什么时候扫过。通道一次抽气变真空的过程要用 40 天！完成后里面的真空度达到了 （12 个零）分之一的大气压力，比外太空的空气压力还低 10 倍！
2）地震和其他震动
同样为了避免干扰，所有的部件（激光源，分光镜，反射镜，探测头）都必须保持绝对稳定和静止。他们采用了两种步进叠加的稳定方案。第一种是主动稳定平台：
图 4：主动减震平台（来源）
这种稳定平台是刚性安装在测试中心建筑上的。所有的地震级其他震动都会首先传递到它身上。它内部的各种探测器实时发现任何频率，方向，和幅度的震动，然后通过超高速精密电机实施反震动，用以“主动减震”。这样，绝大多数震动和绝大部分震动给屏蔽了。剩余的震动交给二级避震系统：被动减震平台。
图 5：被动减震平台（来源）
被动减震平台是安装在主动减震平台的下方。采用 4 级悬挂“钟摆"结构。镜片（分光镜，反射镜等）悬挂在最下面一级。每一级的质量都不小（几十到上百公斤），因为越重减震效果更好。每一级之间都由直径仅仅 0.4 毫米粗的玻璃纤维悬挂连接，最上一级的纤维需要承受将近半吨的重量。
通过这两层减震系统，光路上的部件能够保持史无前例的超稳定状态。
3）超纯净激光
要想探测到小到不可思议的引力波引起的激光相位变化，这激光源本身就得非常非常的”纯净“，要是不同时间的相位和频率不是严格一致的话，探测头就不能分辨出变化是因为激光源的“杂音”还是因为引力波的通过。MIT 和 Caltech 的 专家通过多层激发，放大，过滤的回路，把一开始 2 瓦的激光源放大纯净化到 200 瓦。而这 200 瓦的激光是人类有史以来最纯净的激光源。
4）镜片
最后说说镜片。分光镜和反射镜都是用有史以来最纯净的聚合硅制成，单片重 40 公斤！其透明程度无与伦比，达到了 99.99997% 透光率，当时世界第一。
图6：超透明镜片（来源）
要求高度纯净的透光率有两个原因：第一，透光率不够，镜片就会吸收激光能量，导致温度升高，造成镜片变形；第二，透光率不够，会干涉到激光。这台设备名字本来就叫”激光干涉仪“，如果镜片里渗入了自己的干涉，那岂不是分辨不出引力波造成的干涉了。
在超高纯净度的同时，镜片研磨的准确度也极其苛刻：整个镜片的误差和理论值不超过一个原子的直径，0.1 纳米！
好了，主要部件介绍完了。下面说说 LIGO 逆天的测量精度。
5）测量精度
回到本文的开始，为什么说 LIGO 是人类工程技术的巅峰？因为 LIGO 探测精度达到了匪夷所思的米！原子的直径是
米，质子的直径是
米。也就是说，LIGO 探测精度达到了质子的万分之一！如果讨论小尺度距离比较没有感念，那么换种说法：如果用 LIGO 测量地球到月球的距离（38 万公里），误差不大于半个原子的直径！！！也就是说，如果你在月球表面拿走一个原子，LIGO 可以测量到这个距离上的变化！
科学家牛，工程师更牛！
结束语
LIGO 的建成不是一朝一夕的事情。早在 19 世纪末美国科学家迈克尔逊发明了双垂直通道光学干涉仪。经过了 120 多年连续不停的研究，发展，投资，和迭代，才造就了 LIGO 的辉煌。现代科技的任何一项成果都是经过超长时间的累积，发展，和合作得来的。幻想闭门造辇，弯道超车是完全不符合科学和工程技术规律的，是一种侥幸偷懒思想。
下次再介绍新一代正在研发的引力波探测神器 LISA。
网友评论