2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)俘枫，頒發(fā)給了美國物理學(xué)家外斯(Rainer Weiss), 巴里什(Barry Clark Barish) 和 索恩(Kip Stephen Thorne), 以表彰他們?yōu)長(zhǎng)IGO 探測(cè)器建設(shè)以及引力波探測(cè)所作出的貢獻(xiàn)腥沽。
蹭點(diǎn)熱度，介紹下LIGO測(cè)量引力波的方法崩哩。
筆者從事IT工作多年巡球，當(dāng)年老師教的知識(shí)也還的差不多了言沐。 講的不準(zhǔn)確的地方邓嘹，大家海涵酣栈。
引力波
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論， 引力場(chǎng)是時(shí)空中的曲率汹押。 質(zhì)量在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)矿筝，引起了曲率的變化。這種變化會(huì)以光速向外傳播棚贾，這種時(shí)空波動(dòng)的漣漪就是引力波窖维。
并不是所有的運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生引力波，必須是非對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)造成了四極矩隨時(shí)間變化才能產(chǎn)生引力波妙痹。舉個(gè)例子铸史，如果你轉(zhuǎn)一只鉛筆。如果沿著鉛筆芯轉(zhuǎn)怯伊，就不會(huì)產(chǎn)生引力波琳轿。但在指尖進(jìn)行轉(zhuǎn)筆。就會(huì)引起引力波動(dòng)了耿芹。
當(dāng)引力波經(jīng)過地球的時(shí)候崭篡，我們整個(gè)時(shí)空，當(dāng)然也包括所有的物體吧秕，每個(gè)人都被拉伸琉闪，壓縮；再拉伸砸彬，再壓縮颠毙。
這時(shí)候，空間中的兩個(gè)物體的距離會(huì)發(fā)生變化砂碉。但兩個(gè)物體之間的距離變化不需要任何的作用力吟秩。變化的是空間本身！
因此，只要我們看到兩個(gè)物體之間的距離變化了沪铭， 并且在這個(gè)過程中物體并沒有受力壮池，我們就知道是引力波來了。
引力波的探測(cè)原理
引力波的探測(cè)有兩個(gè)難點(diǎn)：
探測(cè)兩個(gè)物體的距離杀怠， 我們不能用普通的尺子椰憋。因?yàn)椋Σㄍㄟ^時(shí)候赔退，空間中一切物體都會(huì)變形橙依，一般的尺子也會(huì)變形证舟，拿尺子量是無法測(cè)量出物體之間距離變化的。
引力波強(qiáng)度和傳播距離成反比窗骑，導(dǎo)致宇宙深處傳來的引力波引起空間應(yīng)變很小女责。 2015年9月LIGO檢測(cè)到的引力波應(yīng)變也只有10-21 . 也就是說1米的物體，只會(huì)被壓縮或拉伸10-21米创译。 與此對(duì)比抵知， 一個(gè)質(zhì)子的點(diǎn)和半徑大約是10-15米。檢測(cè)如此之小的形變软族，幾乎是天方夜譚
解決這兩個(gè)難題刷喜，需要利用到Michelson光干涉儀。 他的基本原理如下圖立砸。
光源發(fā)出激光掖疮，通過分束器，分別把相關(guān)光射向兩個(gè)平面鏡颗祝。光到達(dá)平面鏡后浊闪，經(jīng)過反射再返回到光學(xué)分束器合并之后，在檢測(cè)器上呈現(xiàn)了相干圖像吐葵。
光在干涉儀中有兩個(gè)光路规揪，一個(gè)走過光程A，另一個(gè)走過光程B温峭。光程差是光波長(zhǎng)的整倍時(shí)猛铅，就會(huì)出現(xiàn)相長(zhǎng)的干涉圖像。如果是光程差是光波長(zhǎng)的0.5 1.5 2.5倍時(shí)凤藏，就會(huì)出現(xiàn)相消的干涉圖像奸忽。 只需要觀察相干圖像的明暗變化，就知道平面鏡和分束器的距離出現(xiàn)變化了揖庄。
對(duì)于前面提到的兩個(gè)難題
- 光速是最基本的宇宙常量栗菜，具有不變性，光波長(zhǎng)不會(huì)隨著空間的變形而變形蹄梢。 所以引力波經(jīng)過地到球的時(shí)候疙筹，平面鏡到分束器的距離變了。由于光程A和光程B是垂直方向禁炒，兩個(gè)方向變化幅度不一致而咆，而光波長(zhǎng)不變，我們就能看到相干圖像的明暗變化了幕袱。
- 由于引力波的變化太小暴备，實(shí)際上光程A與B之間的光程差變化也很小。真實(shí)的干涉儀的干涉臂需要修的很長(zhǎng)们豌，并且讓光在干涉臂反復(fù)折返才能累計(jì)足夠的光程差涯捻。
LIGO 浅妆， 不是樂高 (LEGO) :-)
激光干涉引力波天文臺(tái)（英語：Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫：LIGO）是一個(gè)超大規(guī)模的激光干涉儀障癌。
- LEGO 有兩個(gè)4KM 的干涉臂
- 為了提升精度凌外，LEGO讓光在干涉臂里跑280圈，才進(jìn)行合并干涉
- 為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性混弥，確認(rèn)距離變化是引力波而不是其它干擾趴乡，如地震对省，引起的蝗拿。一共建立了兩個(gè)一摸一樣的LIGO，一個(gè)在美國的西北角蒿涎，一個(gè)在美國的東南角落哀托。只有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，在相差7ms（引力波在兩個(gè)LIGO之間傳播的時(shí)間）里看到一模一樣的測(cè)試結(jié)果劳秋，才算是有效的仓手。
LIGO“聽”到了什么
- 兩個(gè)LIGO在時(shí)間間隔7ms玻淑，發(fā)現(xiàn)了一摸一樣的震動(dòng)波形嗽冒。 震動(dòng)頻率在8個(gè)來回從35Hz增加到250Hz.
- 據(jù)科學(xué)家分析（我是完全不懂), 這是13億光年外，也就是13億年以前补履。 兩個(gè)質(zhì)量分別為36倍太陽質(zhì)量和24倍太陽質(zhì)量的黑洞合并放出的添坊。由于黑洞的引力場(chǎng)如此強(qiáng)大，合并中減少的3.05倍太陽質(zhì)量的能量不能由電磁波傳出箫锤，幾乎全部以引力波形式傳出贬蛙。傳了13億年，傳到了地球谚攒！
- 黑洞合并之后阳准，新的黑洞本身再怎么旋轉(zhuǎn)， 四極矩不再劇烈變化（就像前面提到的鉛筆沿著自己的筆芯旋轉(zhuǎn)）馏臭，引力波也就消失了野蝇。
