引力波的探测

1.引力波探测器的发展

早的引力波探测器是共振型引力波探测器：

上世纪60年代，马里兰大学的物理学家韦伯(Joseph Weber)首先提出了一共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成，直径1米，长2米，质量约1000千克，用细丝悬起来。当引力波经过圆柱时，圆柱会发生共振，进而可以通过安装在圆柱周围的压电感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器，只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年，韦伯宣称他探测到了引力波，立刻引起了学界的轰动，但是后来的重复实验都无所获。

后来人民发展出了激光干涉仪为原理的探测器。世界范围内，除了美国LIGO 引力波探测器之外，还有德国和英国合作的GEO600、法国和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及计划中的LCGT、澳大利亚计划中的AIGO以及印度计划中的LIGO-India。

2.引力波探测的原理

是利用激光干涉引力天文台来探测，其原理使用了迈克尔孙干涉仪和法布里-柏罗干涉仪等。

但是它与传统的迈克尔逊干涉原理有着本质的不同，简单来说就是光速恒定，时空弯曲，路程变化，本来互相“抵消”的光线没有抵消，然后就产生了信号。具体原理涉及到相对论方程。

3.激光干涉引力天文台的建造

激光干涉引力波天文台于1999年11月建成，耗资3.65亿美元。2005年，激光干涉引力波天文台开始进行改造，包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。

2015年，最新的激光干涉引力波天文台正式上线。最新建造的激光干涉引力波天文台在华盛顿州与路易斯安那州之间架设了两个引力波探测器，主要部分是两个互相垂直的长臂，个臂长4000米，臂的末端悬挂着反射镜，管道采用不锈钢制成，直径1.2米，内部真空度为10-12大气压。大功率的激光束在臂中来回反射大约50次，使等效臂长大大增加，这样就会形成干涉条纹，如果引力波传播到地球上，那么就可以引起干涉条纹的位移。

为了降低地震对系统带来的干扰，光学装置安装在结构复杂的防振台上，为降低空气分子热运动的影响，光路中抽成10-12大气压的真空。此外还要在路易斯安那州和华盛顿州建造两个相同的探测器，彼此相距3000公里。只有两个探测器同时检测到信息时，才有可能是引力波的信号

4.引力波探测遇到的困难

事实上，引力波就像是时空的涟漪，如果将时空想象成水面，那么天体碰撞事件就如同块石头落入水中所引发的水波，只不过引力波的传播速度可以达到光速。为了寻找引力波，科学家需要借助宇宙中的极端事件，比如黑洞合并、中子星事件等，因为大质量天体可以产生相对较强的引力波。只不过如此事件较为罕见，在银河系内大约平均每1万年会发生一次。

引力波的探测要求仪器的灵敏度达到能够检测长度到为10-21量级的变化，也

就是1000米的长度上变化10-18米，相当于质子尺度的千分之一，对技术的要求极其苛刻。

5. 引力波的发现

美国当地时间2016年2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分)，美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO 科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布：人类首次直接探测到了引力波!

这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳，合并成了一颗62倍太阳质量高速旋的黑洞，亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间，经过13亿年的漫长旅行，终于抵达了地球，被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探到。

6.引力波探测的意义

引力波天文学将是继传统电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后，人类认识宇宙的全新窗口，必将引发一场天文学的革命。

引力波探测除了能够检验广义相对论之外，还有助于证明其它版本的引力理论正确与否，还将推动引力量子化的研究，最终把引力融入其它三种基本相互用，完成爱因斯坦的伟大梦想。

引力波像其它的波一样，携带着能量和信息。电磁波(宇宙背景微波辐射)只能让我们看到大爆炸38万年之后的景象，而引力波能够让我们回望宇宙大爆炸最初瞬间，检验宇宙大爆炸理论的正确与否。