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引力波与LIGO探测器简介

每年国庆长假时,诺奖也陆续公布。今年的诺贝尔物理学奖颁发给了引力波探测,英文的颁奖词是“for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves”。蹭一下热度,简单介绍下引力波以及LIGO探测器。

根据爱因斯坦的广义相对论,引力是时空弯曲的一种效应。时空弯曲由质量导致。当一个物体在时空中运动时,曲率变化反应了物体的位置变化。例如,月球围绕地球转动,可以理解为大质量的地球扭曲了附近的时空,小质量的月球在弯曲的时空中运动,会选择一条最短的路径,如下图所示。好比一条本来平坦的床单上放了一个重物,形成了一个小坑。附近小质量的球就会掉落到坑里。

(图片来自http://www.sohu.com/a/121517221_224832)

当一个大质量的物理发生波动时,时空也会发生波动,产生所谓的时空涟漪,也就是引力波。引力波以光速向外传播,如下图所示。

(图片来自https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8D%E5%8A%9B%E6%B3%A2_(%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96))

当引力波通过观测者时,由于应变效应(strain effect), 观测者附近的时空也会发生扭曲,物体之间的距离会发生周期性的波动。通过探测物理间位置的变化,可以推断引力波源的相关信息。引力波的强度与引力波源的距离成反比。由于引力波源的距离都非常遥远,传播到地球时强度都非常微弱,如何探测这微弱的信号,就成为了一个技术难点。从上世纪六十年代开始,无数科学家为此做出了努力与探索。在各式各样的引力波探测器中,LIGO笑到了最后,成功在2015年探测到了引力波。

LIGO的全称是 Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,从这个名字可以看出,它的基本原理是基于激光干涉。LIGO探测器是一种改进的Michelson干涉仪。对于这个干涉仪,大家一定很熟悉,正是基于这一干涉仪,否定了以太的存在,从而导致了相对论的提出。下图是LIGO探测器的示意图,

(图片来自https://thesis.library.caltech.edu/1901/9/08chap3.pdf)

与传统的Michelson干涉仪相比,LIGO做了一些改动:1)在两臂中使用了Fabry-Perot腔,使得光在FP腔中来回振荡,等效地增加光程,进而增加相位;2)采用power recycling mirror(上图中的PRM), 使得激光在整个干涉仪中循环使用。LIGO的两个臂长是4km,而光在FP腔中的实际行走距离为1120km。光源的功率是20W, 在FP腔中的功率达到100kW。为了探测到微弱的信号,LIGO中还有很多牛逼的技术,用于隔离各种噪声。实验探测到的结果如下图所示,

(图片来自文献1)

利用LIGO成功探测到引力波,一方面论证了广义相对论的正确性,另一方面提供了一种新的观测宇宙的工具,可以更深入地研究黑洞等现象,聆听宇宙的声音。我们的征程是星辰大海!

文章中如何有任何错误和不严谨之处,还望不吝指出!欢迎大家留言讨论。

参考文献:

1)B. Abbott, et.al., Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:Photonwalker

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原始发表时间:2017-10-08

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