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LIGO 用光干涉测到了千分之一质子尺寸这么小幅度的引力波,是怎么做到的?

【Flanks的回答(26票)】:

LIGO能达到这么高精度的一个重要原因是使用了压缩态的光。在此之前,人类制造的干涉仪的精度是受真空态的涨落所限制的,这个极限称为标准量子极限(也称作shot-noise limit):干涉仪的精度和输入光强的1/2次方成反比。但后来科学家发现标准量子极限可以被打破,方法就是在干涉仪中输入压缩态的光。压缩态的光可以压缩其相位的不确定性,而放大其强度的不确定性,反之也可以压缩其强度的不确定性而放大其相位的不确定性。

在干涉仪的一个端口输入压缩相位不确定性的压缩态的光,可以压缩参与干涉的两束光之间相位差的不确定性,同时放大光子运动碰撞镜面产生压力的不确定性。被压缩后的光相位差的不确定性使干涉仪测量的精确度超越了标准量子极限。详细内容可参考Phys. Rev. D 23, 1693 (1981)。

同时,LIGO使用的不是普通的迈克尔逊干涉仪,而是Fabry-Perot-Michelson干涉仪。不同之处主要在于干涉臂使用了光腔,光在腔中共振增大了光的强度。此外,LIGO在数据收集和处理上也做了很多工作(LIGO团队里有人专做信号处理)。

理论上讲,人类测量精度的极限只受到海森堡不确定性原理的约束。由海森堡不确定性原理得到的测量精度极限是精度与光强成反比,这个极限称为海森堡极限。随着技术的进步,LIGO正在向这个真正的量子极限在迈进。

【正版葛大爷的回答(24票)】:

谢邀。

官网其实有很详细、专门的科普解释。参见:

LIGO Technology

不过我知道会有很忙的看官们懒得细看英文,那我简单解释下。

LIGO本质是一个高精度的迈克尔逊干涉仪。设计LIGO的目的,就是为了检测强度极其弱的引力波,测量精度要求到

米, 可以说是目前人类造的最灵敏的探测器,没有之一。

爱因斯坦100多年前理论预测引力波的时候,直接说按他总结的广义相对论,引力波这玩意儿太弱,实验应该观测不到。100多年后,我们终于观测到了,但也只能观测到大爆炸、恒星坍缩(Gravitational collapse)、黑洞碰撞等等超级剧烈的天文现象。

但是随便一个开大学物理课的实验室,都会有一个小型迈克尔逊干涉仪,那么为什么LIGO那么牛呢?

几个关键点:1)法布里-珀罗干涉腔,2)高强度激光,3)减震装置, 4) 真空系统,5)数据处理系统。

1) 为了探测超级轻微的扰动,LIGO迈克尔逊干涉仪的两臂越长越好。但是长臂不是你想造,想造就能造。为了绕过工艺上限制,LIGO的设计者们,非常聪明地用两个超级长(4km)的法布里-珀罗干涉腔,获得了等效于1600千米长的光程。

2)LIGO在光源和分光镜之间,设置了所谓的功率循环镜片儿("Power recycling" mirrors),来把入射的200瓦激光,增大了3750倍,变成75万瓦的高强度激光器。这极大地提高了干涉图样的分辨率。

3)精密的减震装置。减震部分又分两大类,主动减震和被动减震。

主动减震部分和噪音消除耳机的原理类似。如下图:

能测量极微弱的扰动是LIGO的长处,也是它的短处。因为LIGO要求对扰动极其敏感,以至于几千里内任何风吹草动,都可能把引力波的信号淹没。主动减震系统,探测周围地面所有频率的振动,然后主动产生一个反向振动,将不是引力波引起的振动过滤掉。

被动减震部分如下图,两套钟摆系统背靠背,大镜子在其中一套上。另一套,反向维持平衡,消除主动减震部分没能完全消掉的振动。另外,每面镜子40公斤重,如此之重,惯性也有利于系统平衡。

4)真空系统。 LIGO 的真空系统压强,是海平面大气压强的一万亿分之一。如此高真空,主要两个原因:1消除空气分子流动传热。镜片儿可能会受热传递影响而变形,再者,空气温度不均匀,会产生渐变折射率效应,导致光线偏离直线; 2 消除任何灰尘进入激光腔,造成杂射光的可能。

5)所有的大型实验设备,每天都会产生海量数据。LIGO 每天产生几千GB的新数据,如何存储、分析这些数据而不淹没在过载信息的海洋里,离析出微弱的引力波信号,是数据分析的重点。

【飞鱼的回答(4票)】:

LIGO官网对他们如何做到的有一些介绍:LIGO's Interferometer

基本上就是一个Michelson干涉仪加上很多装置增强其精度。 基本上就是一个Michelson干涉仪加上很多装置增强其精度。

激光发射出后经过一个Power recycling mirror,激光在里面多次往返,把激光的强度增加到750kW。

LIGO的探测器分成两个臂,每个臂有4千米,激光在里面往返400次,所以极光事实上跑了1600千米才进行干涉。

【露露缇雅·泽金的回答(3票)】:

(前面科普,重点可直接跳到最后一段。)

迈克尔孙干涉仪最初发明就是用来测量两个臂的光路是否存在光程差,从而想得出不同方向上光速的不同,来验证以太的存在及其性质的。结果被打脸,然而迈克尔孙干涉仪由于灵敏度高而被广泛应用。

其本质就是:在光的波长尺度上改变光程,通过测量干涉条纹的变化测得光程改变量。所以这是超级大的放大器。其放大的根本原理是光程的微小的改变量引起干涉条纹的变化。

引力波导致在两个方向上时空扭曲的程度不同,从而导致光程不同,这样干涉条纹也会发生变化。以此来检测引力波的存在。

而放大过程:

1.通过臂长的增加来放大引力波导致光程差的大小。

2.对于微小的光程差,注意到报道中有关于其激光器功率大小的描述和对镜面反射率的描述,可以合理推测,这个对于最终测试精读或可信度是有决定性影响的。

所以我猜测,最终放大是通过极高功率(光子密度)的高度相干光源实现的。首先使得在空闲的时候保持两束光干涉完全抵消,感光原件上接收不到信号。(想要做到这样非常困难,要知道附近汽车的行驶地面的震动等等都会产生极大的影响。所以要努力消除误差。)而一旦有着微弱的相位变化,由于光子基数大,会有可观数量的光子打在传感器上,产生信号,从而使得微小的相位变化产生的微小的干涉条纹强度的变化,由于光子密度大而被检出。

(最后,为努力奋斗在基础科学领域的科学工作者们表达我个人的由衷敬意。 另: 想出这种方法的这些人真牛x啊……)

【KumaZZZZZ的回答(4票)】:

一个大号儿的原子力显微镜,几何放大部分和其简直如初一辙,只是探测臂扫过的不是范德华力,而是引力波,另外,价值几万美元的原子力显微镜最佳的减震系统其实也是橡皮筋,和文中的结构一致啊。只是由于空间尺度不同,原子力显微镜用nm精度的压电陶瓷做尺子,而LIGO用的是激光干涉。

接上文,LIGO的探测黑洞碰撞引力波的探测器和由原子间斥力和引力获得表面原子像的原子力显微镜何其相似。LIGO四个真空管相当于矢量分解四个方向探针。印象中AFM是斯坦福和IBM在80年代搞出来的,作为补充扫描隧道显微镜无法测量绝缘体(绝缘体没有量子隧穿电流)。不清楚LIGO是否借鉴了其idea啊,四公里的AFM啊……接上文,LIGO的探测黑洞碰撞引力波的探测器和由原子间斥力和引力获得表面原子像的原子力显微镜何其相似。LIGO四个真空管相当于矢量分解四个方向探针。印象中AFM是斯坦福和IBM在80年代搞出来的,作为补充扫描隧道显微镜无法测量绝缘体(绝缘体没有量子隧穿电流)。不清楚LIGO是否借鉴了其idea啊,四公里的AFM啊……

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