引力波探测：成就“不可能之任务”的工程技术满满歌词
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紫藤萝2016年2月11日关于首次探测到引力波事件的新闻发布在物理学界以及整个社会引起了轰动。一年多后，诺贝尔奖如约而至，在引力波探测工作中发挥领导作用的麻省理工教授韦斯（Rainer Weiss），加州理工教授巴里式（Barry Barish）和索恩（Kip Thorne）获得2017年诺贝尔物理学奖。
引力波是广义相对论中的一个推论，这是一个相当艰深的理论，一般物理学博士生都很少涉及，但公众对相对论以及引力波的概念并不陌生。
爱因斯坦在发表广义相对论之后曾预言了引力波，但他又认为那是不可能被探测到的。现在终于探测到了如此微弱的引力波，说明其探测工程技术的挑战和神奇是难以想象的。
说到引力波，我们自然会想到电磁波。1865年，麦克斯韦基于他所提出的电磁学方程预言了电磁波。22年之后的1887年，赫兹用实验证实了电磁波的存在。其实赫兹的实验装置很简单（图1 ）：一个手工开关I造成一个电脉冲，经过变压器T升压后，在火花隙S上产生一个电磁
波。这个电磁波传播到房间另一端的环形天线接收器，那里的火花隙M就产生一个肉眼可见的火花弧。
图 1：赫兹的电磁波验证试验（复制自：） 拜会是什么意思 |
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然而引力波远非电磁波那么容易搞定。首先，引力要比电磁力弱得多，必须有非常大质量的客体才能产生有探测意义的引力波。第二，电磁波是带电粒子（电子）振荡产生的，虽然引力波也是由物质的振荡产生，但天体要出现这种振荡需要超出想象的驱动力。第三，天体虽然质量巨大，但离我们非常遥远，有无引力波或能否被探测都是不可预测的。
大蒜的吃法引力波探测的最主要困难在于引力波的强度非常弱。科学家估计，我们能接收到的引力波信号所造成的相对时空变化大约在10-21。也就是说，如果测量1000m的长度，当有引力波经过时，其长度读数会有大约10-18m的变化。这是质子直径的1/1000，要用宏观仪器来测量简直是闻所未闻，现实版的“大海捞针”——宇宙深空引力波传到地球造成的径向变化只有原子核大小。时光飞逝的成语
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塞维利亚的理发师不过，信号弱本身并不是问题，因为电子放大器可以放大信号1000～10000倍。如果再把放大器串联起来，可放大的倍数几乎是没有限制的。因此，关键不在信号的强度，而是引力波信号与噪声的比较，行内称为信噪比。当信噪比太低时不能区别信号和噪声，也就是不能实现探测任务。
由于放大器总是同时放大信号和噪声，并且还可能加进新的噪声，这就使得放大器很难提高信噪比。因此，要提高信噪比只有两条路：增强信号和降低噪声。
aLIGO是怎样做到这两点的呢？因为探测引力波就是测量引力波导致的径向长度变化，所以可以用更长的“尺”，使尺的长度变化增大——等价于增强信号。当然也要求尺的刻度细
微明显。顾名思义，aLIGO是用激光干涉仪当尺，而激光可以照射很远不衰减；“尺的“刻度”是波长（aLIGO用的是大约一微米）。这是一把很理想的“尺”。
图2是迈克尔逊干涉仪的基本结构：左面是一个激光源（Lar），照射到分束器（Beam Splitter）上。分束器是半反射半透射的镜子，它把入射光分成两部分：被反射的光走上方的光路，在终端又被镜子（Mirror）反射回到分束器并透射到探头（底部圆圈）；另一部分光经分束器透射走右方的光路，同样被终端镜子反射后回到分束器，然后再被反射到探头。这两束光在探头相叠加时，其强度取决于二者之间的相位关系。当引力波经过时，其中一个光路的距离会加长，而另一个会减小，这将导致光路间的相位关系发生变化，也就引起了探头信号出现变化。最简单的操作方法是：把光路调整到在没有引力波时输出为零，即两束光在探头处的相位正好相反。这样，当引力波到来时就会造成一个不为零的信号，其大小与总光强的比例约等于两条光路长度的总变化与光波长的比例。当然，实际系统会有所不同，因为要涉及相位变化的正负号，但就信号的强度分析总是离不开上述原理。
| 和睦相处的拼音 图2：迈克尔逊干涉仪（复制自/page/what-is-interferometer） |
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迈克尔逊干涉仪曾经被用于很多著名的科学实验探测，其中1887年的迈克尔逊-莫雷实验证明了以太不存在，它催生了爱因斯坦的侠义相对论。一个多世纪后的今天，迈克尔逊干涉仪又被用来探测引力波，验证广义相对论。由此看来，一个好的实验手段总是有生命力的。
