导语：你知道引力波探测的原理吗？也许你听过激光干涉仪这个名词，但你知道它背后隐藏着多么精密复杂的技术吗？本文是由LIGO团队的科学家之一：Ed Daw带来的独家揭秘。
关键词：引力波 激光干涉仪 LIGO
长达四千米的干涉臂，汉福德LIGO实验基地。图片来源：LIGO , 作者提供。
引力波是神秘的时空涟漪，它以光速在宇宙中穿行。整整一百年前，它的存在就被爱因斯坦所预言，从那以后人类就走上了寻找引力波的漫漫长路。探索引力波的实验有很多，其中就有我们的LIGO,而它终于光荣完成了使命。那么它到底是如何做到的呢？
引力波产生于超大型天文学事件，如中子星和黑洞这样的大型致密天体相互碰撞。虽然产生引力波的这类事件异常剧烈，但由于距离太遥远，地球所处的这片时空受到的影响却是十分微弱的。
正因如此，科学家们才必须要建造非常灵敏的大型光学观测设备来搜寻引力波，也就是激光干涉仪。LIGO的全称叫做激光干涉引力波观测系统（Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory），来自全世界86个研究机构的超过1000名科学家们共同参与了这个项目，负责设备的研发维护或者分析数据等工作。
两束光，几面镜子和一个探测器
建造一座探测引力波的激光干涉仪，你所需要的就是两束在管道中沿不同方向（暂且说分别是向北和向西）传播的激光，它们会在几对反射镜之间来回反射。引力波的路过会引起空间在一个方向上被拉伸，然后又以恰当的角度沿这个方向被压缩。在地球上，这会引起反射镜发生微小的摆动，因而其中一对镜子之间的距离缩短，同时另外一对之间的距离会增加。这种摆动现象的实质是反射镜对于时空形变（伸展和收缩）的自发响应，这实在是太奇妙了。
粒子组成的圆环，受到引力波的影响而振动
引力波其实就类似于池塘中的水波纹。在水中放入一个漂浮的物体，随着波浪的传递，这个物体会反复上下浮动。LIGO 反射镜出现在引力波的池塘中，情况虽然更复杂，但同样它也会引起不同地方运动的改变，而且遵循着特定的方式。
距离的微弱变化能够被探测器纪录下来，这个探测器用来检测从两个干涉臂返回的激光。为了排除偶然因素的干扰，我们采用了两台干涉仪，把它们分别架设在美国国土的两端：一个在路易斯安那州的列文斯顿，另一个位于华盛顿汉福德，并且让它们在同一时刻进行同样的“反射镜随波摆动”的实验。
飞翔在LIGO的上空，图片由作者提供
那么，实际中干涉仪是如何工作的呢？其中一项关键的任务是“锁定”干涉仪，也就是固定反射镜之间的距离，从而使激光按照设计好的路径在镜面之间反射和振荡。1997年，我还在MIT开发LIGO原型机的时候，锁定是由科学家手动完成的，我们用的是一个带有12个把手的手持箱。但现在已经是用电脑控制的了，某个操作会启动一系列的程序，然后当每个镜子都移动到正确位置后传感器就会反馈数据。由于很多环境因素都会影响反射镜的位置和角度，比如温度变化，硬件的机械松弛效应，甚至月亮的位置变动，因此调整反射镜是一个每天都要进行的维护工作。
现场科学家和工程师们也要时刻监控探测器和物理环境的诊断信息，所以当探测器没有正常工作的时候，他们就可以立即找到哪个地方的哪个环节出了问题。我在 LIGO 控制室和实验室度过了很长时间，我最近在机器上的工作是在检修实验中测量反射镜之间的准确距离。实际上，这意味着我要穿着超净工作服在钢制工作台上一连干上好几个小时的活，而且经常工作到深夜。
LIGO控制室，图片来源：wikimedia
如果我让这个任务听起来很容易的话，其实它并不是。LIGO是被很多突破性的高端技术所环绕的，这些技术都是为了它专门定制的。每条长达四公里的干涉臂，在建造的时候必须考虑到地球的曲率引起的形状修正效应。每个探测器都必须要以极高的精度与地壳震动隔离起来，并且要置于真空环境中来避免污染物和气体对反射镜之间的激光产生影响。
两台探测器必须每次连续几个月纪录数据－从不错过一个数据点，也从不滞后。当你的探测器要绵延好几公里时，这本身就是一项技术上的挑战。LIGO可谓是一项工程和物理学奇迹，它是从古至今最精密复杂的机器之一，能够成为其中的一员是非常令人激动的。
本文作者：Ed Daw是谢菲尔德大学物理学学者
（翻译：乔虹 审校：傅斓）
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