• 處女座（(Virgo)）引力波探測器的鳥瞰圖，位于比薩（意大利）附近的卡西納。處女座是一個巨大的邁克爾遜激光幹涉儀，臂長3公裡，與雙4公裡LIGO探測器相得益彰。這些探測器對距離的微小變化很敏感，這是特定頻率範圍内引力波振幅的函數。

幾年前，我們終于取得了人類曆史上最偉大的科學成就之一：直接檢測引力波。 盡管引力波是愛因斯坦廣義相對論在1915年提出的一項早期預測，但整整一個世紀才直接發現了它們。

我們實現這一夢想的方式是通過美國激光幹涉引力波天文台(LIGO)、歐洲“處女座”(Virgo)引力波探測器和日本神岡引力波探測器(KAGRA)共享的卓越設計：

• 分離光，使其沿兩個相互垂直的激光臂向下傳播，
• 快速連續地多次反射該光，
• 然後重新組合光束以查看幹涉圖樣。

當足夠強的引力波以恰當的頻率通過時，臂會交替伸縮，從而改變幹涉圖樣。但是光不會膨脹和收縮嗎？令人驚訝的答案是"不"，以下就是原因。

• 圖：如果臂長相同且沿兩個臂的速度相同，則沿兩個垂直方向傳播的任何東西都将同時到達。 但是，如果在一個方向上有一個有效的逆風/順風，或者臂的長度相對于彼此變化，則到達時間會有所滞後。

上圖顯示了邁克爾遜幹涉儀的原理。1881年，阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson）試圖探測以太，以太被認為是光波傳播的媒介。在狹義相對論發現之前，假定所有波都需要一種介質來傳播，例如水波或聲波。

邁克爾遜（Michelson）構造了這樣的幹涉儀，其原理是地球以大約30 km / s的速度在圍繞太陽的太空中行進。由于光速為300,000 km / s，他預測他會看到幹涉儀産生的幹涉圖樣，該幹涉圖樣取決于設備相對于地球運動所對準的角度。

• 圖：如果将光分割成兩個垂直的分量，并将它們重新組合在一起，它們将産生幹擾模式。如果有光線穿過的介質，幹擾模式應取決于設備相對于該運動的定向方式。

隻是，邁克爾遜以比預期的效果好得多的精度進行了實驗：大約好40倍。 但是邁克爾遜一無所獲，這表明以太不存在，至少不是物理學家思考它的方式。邁克爾遜（Michelson）于1907年被授予諾貝爾物理學獎，這可以說是唯一 一次為實驗性“零結果”頒獎的獎項。

這提供了證據，光速對所有觀察者都是相同的，而與沿光傳播方向相對，垂直，相對于或垂直于光傳播方向的任何其他運動無關。隻要在一個特定方向上創建了幹涉圖樣 ，無論您如何定向探測器，它都應保持不變。

• 圖：相對論為真（底部，虛線）的預期相比，邁克爾遜幹涉儀（頂部）顯示出的光圖案（底部，實心）變化可忽略不計。 無論幹涉儀朝向哪個方向，包括與地球運動垂直或對抗太空的運動，光速都是一樣。

但是，相對于另一條臂延長或縮短一條臂，将會改變路徑長度，從而改變我們看到的幹涉圖樣。如果将遠端的反射鏡移動到離近端更近或更遠的位置，則該波産生的峰谷-峰谷-峰谷模式将有微小變化。但是，如果在臂長恒定的情況下保持設備穩定，則該模式根本不會改變。

首先，為了建立引力波實驗，這些條件需要滿足。必須正确配置和校準探測器，考慮來自所有來源的幹擾，并将靈敏度降低到可以檢測出引力波會引起的微小臂長變化的點。經過幾十年的努力，LIGO 是第一個達到幹擾阈值的引力波探測器，該幹擾阈值可以産生物理的、可觀測的效果。

• 圖：“尖峰”來自各種幹擾源。 随着LIGO的靈敏度變得越來越好，并且随着越來越多的探測器投入使用，我們的能力使我們能夠探測整個宇宙中更多的此類波以及産生這些波的災難性事件。

你應該聽說過光是電磁波。光由相中、振蕩、相互垂直的電場和磁場組成，這些場能與附近電磁耦合的任何物質相互作用。

同樣，還有一個引力模拟：引力波。這些波紋以與光（c） 相同的速度在太空中移動，但不會産生與粒子相互作用而産生的可檢測特征。相反，它們交替拉伸和壓縮它們，且以相互垂直方向穿過的空間。當引力波穿過一個空間區域時，任何空間體積在一個維度上經曆膨脹，并伴有垂直方向的罕見壓縮。然後，波以頻率和振幅振蕩，就像任何其他波一樣。

• 圖：引力波在一個方向上傳播，在相互垂直的方向上交替拉伸和壓縮空間，這是引力波的極化定義。 在引力的量子理論中，引力波本身應該由引力場的單個量子（引力子）構成。 盡管引力波可能會在空間上均勻分布，但振幅（1 / r）才是探測器的關鍵，而不是能量（1 / （r ^ 2））。

這就是為什麼我們的引力波探測器構造成具有垂直臂的原因：因此，當波通過它們時，兩個不同的臂将受到不同的影響。 當引力波通過時，一隻臂壓縮而另一隻臂膨脹，然後反之亦然。

考慮到地球的曲率，LIGO，Virgo和KAGRA探測器彼此成角度。它們全部同時工作時，無論入射波的方向如何，多個探測器将對引力波信号敏感。隻要電波本身通過探測器（并且沒有已知的方法可以使自己免受引力波的幹擾），它就應該以可檢測的方式影響臂的路徑長度。

但這就是難題所在：如果空間本身是正在膨脹或壓縮的東西，那麼穿過探測器的光線是否也應該在膨脹或壓縮嗎？ 如果是這樣的話，光線是否不應該像不存在引力波的情況那樣，以相同值的波長通過探測器？

這是一個真正的問題。 光是波，定義任何單個光子的是它的頻率，它又定義了它的波長（在真空中）和能量。 光線随着其占據的空間伸展（對于紅色）或收縮（對于藍色）而發生紅移或藍移，但是，一旦波完成通過，光将恢複到其原始狀态時的波長。

似乎光應該産生相同的幹涉圖樣，而與引力波無關。

• 圖：LIGO 和 Virgo發現了一個新的黑洞群，其質量比以前單獨進行X射線研究（紫色）時看到的要大。該圖顯示了運行II結束時LIGO /Virgo檢測到的十次雙星黑洞合并的質量（藍色），以及從當時看到的一次中子星與中子星合并（橙色）的質量。

引力波探測器的工作不僅有效，而且還确定了黑洞與黑洞合并的顯着特征，使我們能夠重建合并前和合并後的質量、距離、在天空中的位置以及許多其他屬性。

理解這一點的關鍵是忘記波長并專注于時間。是的，波長實際上取決于引力波通過時空間的變化。這些紅移和藍移是真實的，但不變的是真空中的光速，始終為299,792,458 米 / 秒。如果壓縮一隻臂，光的傳播時間會縮短；如果将其展開，則光旅行時間會延長。

并且，随着相對到達時間的變化，我們可以看到在真實引力波事件期間，（重構的）幹涉圖樣如何随時間移動的振蕩圖樣。

• 圖：在運行II結束時，LIGO 和 Virgo觀察到的合并黑洞的可視化效果的靜止圖像。随着黑洞的視界一起旋轉并合并，發出的引力波變得更大（振幅更大）和音調更高（頻率更高）。合并的黑洞範圍從7.6太陽質量到50.6太陽質量，每次合并期間損失的總質量約占5％。波的頻率受宇宙膨脹的影響。

當在每個激光脈沖開始時，分開的兩個垂直光束在探測器中重新組合時，它們會形成我們觀察到的臨界幹涉圖。 如果在任何一點上臂長都有差異，那麼這些光束的傳播時間将有所不同，因此幹涉圖案将發生偏移。

這就是為什麼我們使用光束而不是單個光子的原因。 如果同時發射一對光子并沿垂直臂向下傳播，則看到最短累積路徑長度的光子将首先到達：在其夥伴光子之前，将看到更長的累積路徑長度。

但是波是連續的光源。 即使到達時間相差僅10^(-27)秒，也足以導緻最初調諧以使幹涉圖消失的兩個波，以明顯的振蕩失配出現，從而産生臨界信号。

• 圖：當兩個臂的長度完全相等，并且沒有引力波通過時，信号為零，并且幹涉圖樣是恒定的。 随着臂長的變化，信号是真實且振蕩，并且幹擾模式會以可預測的方式随時間變化。

您可能仍然擔心光的紅移和藍移效應，以下兩個原因可以忽略它們：

1. 即使光的波長在其傳播過程中發生變化，但所有波長的所有光（至少在真空中）都以相同的速度傳播。
2. 即使光的波長逐點變化，這些變化也是瞬态變化。當它們到達探測器的空間相同點時，它們将再次具有相同的波長。

這是所有這些中的關鍵，重要的一點：紅光（長波長）和藍光（短波長）都需要花費相同的時間才能穿越相同的距離。

• 圖：​光子的波長越長，能量越低。 但是所有光子，無論波長/能量如何，都以相同的速度移動：光速。 覆蓋特定的指定距離所需的波長數量可能會發生變化，但是兩者的光傳播時間是相同的。

事實是，當引力波通過探測器時，它會改變兩個相互垂直的臂的相對路徑長度。路徑長度的變化會改變每個光量子的所需光傳播時間，從而導緻到達時間不同，并導緻所産生的幹涉圖樣發生偏移。由于兩個手臂的長度一起變化，因此我們可以使用該信息來重構在遠處産生的引力波的特性。

理解其工作原理的關鍵因素是一束光束在設備中的停留時間略長，因此，當光束到達檢測器時，它與對應的光束略有異相。這種微小的時間偏移是由于LIGO（以及Virgo和KAGRA）的臂壓縮了質子寬度的0.01％而引起，在當前的Run III中，目前已被用于尋找許多新的合并事件。引力波現在是一門生機勃勃的觀測科學，現在您已經了解引力波探測器工作原理！

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