4×10⁻¹⁸米的极微变化！LIGO如何捕捉引力波“蛛丝马迹”

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@小白创作中心

4×10⁻¹⁸米的极微变化！LIGO如何捕捉引力波“蛛丝马迹”

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https://m.xianjichina.com/special/detail_567635.html

2017年2月11日，美国科学家通过激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布人类首次直接探测到引力波，这一跨越时空的涟漪，第一次被人类所捕捉，如同一道曙光，加深了我们对宇宙的理解。诺贝尔物理学奖得主Kip Thorne曾说，引力波能让我们洞悉空间和时间的本质，了解黑洞等由扭曲时空构成的现象，甚至追溯宇宙的起源。自科研生涯开启，引力波这种以光速传播的时空涟漪便令无数科研工作者着迷，本文将深入探寻引力波探测器的发展历程及其对宇宙研究的深远意义。

引力波的理论溯源与LIGO的诞生

引力波，作为时空结构中的扰动，源于宇宙中极端天文事件，如两个黑洞相撞，便会在空间产生以光速传播的“涟漪”。早在20世纪60年代中期，科研人员就开始研究引力波理论及其起源。起初，目标是理解引力波的产生机制以及其对源头的影响。1969年，约瑟夫·韦伯宣称可能探测到引力波，虽最终证实并非真正信号，但却激发了对引力波探测方法的思考。

1972年，雷纳·韦斯提出基于激光测量的引力波探测新方法，起初遭怀疑，但经过三年研讨，最终被认可。作为理论物理学家，决定投身协助实验物理学家实现这一目标。基于对引力波特性的认知，预计需约20年突破技术与科学难关，建造成功的探测装置，而实际却花费约40年建成LIGO，并于2015年首次探测到引力波。

引力波的能量与速度平方、质量成正比，波长与质量成正比，衰减与距离平方成反比。宇宙中天体，质量大的速度小，速度大的质量小，且离地球近的大质量天体寥寥无几。自20世纪初爱因斯坦提出引力波概念与预测后，整整一个世纪，科学家与工程师们都未能探测到，直至2015年。为探测引力波，科学家们一方面寻找更大更猛的引力波源，如两个大质量黑洞相互围绕高速旋转产生强大引力波；另一方面不断提高探测精度。

LIGO的工作原理与挑战攻克

LIGO探测器利用一束激光射向分束器，分成两条垂直光路即“臂”，臂中的镜子使光束来回反射数百次，两臂光束通过输入镜泄漏后在分束器干涉，最终在光子探测器形成输出光信号。引力波经过时，会交替挤压与延长两臂，导致输出光束强度波动。

要测量引力波，需探测探测器臂长极微小变化。LIGO臂长4公里，需探测到约4×10⁻¹⁸米的变化，比原子核还小1000倍。科研团队很大一部分工作是预测与解决探测灵敏度问题，重点关注“噪声”，即探测器各部分引起的测量误差。

镜子涂层是重要噪声源。为使反射光最大化，LIGO镜子涂覆两种不同介电材料交替薄层，每层厚度为入射激光波长1/4，为实现数百次反射使用十多层涂层。学生尤里·莱文发现室温下涂层振动产生严重热噪声，虽振动幅度仅10⁻¹⁵米量级，但相对于需测量的10⁻¹⁸米镜子位置变化，影响巨大。莱文发明新方法计算各部分热噪声，为研究其他热噪声源铺平道路。

另一位学生卡尔顿·凯夫斯则改变了对LIGO探测器中量子噪声的认识。量子噪声源于宇宙基本随机涨落，LIGO存在两种量子噪声：光子到达探测器的随机涨落，以及光子反射引起镜子位置随机涨落。

凯夫斯发现这两种噪声源于“真空涨落”，即真空并非绝对空，存在零点能与量子涨落。这些噪声从光子探测器反向进入LIGO臂，以相反方式叠加在激光束上，导致两臂光强变化。为降低量子噪声，凯夫斯设计“真空压缩”方法，成为量子精密测量基础，在LIGO中发挥重要作用。

引力波探测器的发展与未来展望

最初的LIGO探测器在2010年达到性能巅峰，足以探测距地球约5000万光年范围内中子星螺旋式合并，但未发现引力波迹象。2008年，开始研发下一代“先进LIGO”。改进措施包括改变镜子悬挂方式，减少地球振动影响与线缆热噪声；采用更好镜面涂层，降低热噪声并提高反射率。

到2015年9月，噪声大幅降低，探测距离比最初远5倍，实现首次引力波发现。此后进一步改进，包括基于压缩的量子精密测量技术，使观测频率从2015年每6周一次黑洞碰撞事件，提升到2023年每3天一次，预计到2020年代末，频率将达每天数次，比2015年提高约100倍。

2016年获批的“印度LIGO”项目，预计2030年全面运营，第三个LIGO站点将提升定位引力波源头能力。通过分析引力波到达各探测器时间差，可推断波源位置。意大利和法国合作的VIRGO探测器于2003年建成，2017年启动观测并与LIGO发现首例双中子星碰撞。日本的KAGRA始建于2010年，位于地下，镜子冷却到-250℃减少热噪声，2023年5月25日首次成功观测。

目前还有两个更大的地基引力波探测器建造计划，欧洲的爱因斯坦望远镜（臂长10公里）和北美的宇宙探索者（臂长40公里），预计2030年代后期投入使用。2030年代后期，欧洲航天局将建造运营太空引力波探测器LISA，臂长250万公里，能测量更低频率引力波。中国也有“天琴”和“太极”等类似太空探测项目，同样计划于2030年代投入运营。