人类历史上最伟大的科学成就之一终于在几年前实现了:直接探测引力波。尽管这是爱因斯坦广义相对论在1915年提出的一个早期预测，天辰登录天辰娱乐官网但它花了整整一个世纪才被直接发现。
我们实现这个梦想的方式是通过LIGO、Virgo和KAGRA探测器共同的非凡设计:
将光分裂，使其沿着两个相互垂直的激光臂传播，
快速连续多次反射这种光，
然后重新组合光束以观察干涉图样。
当足够强的引力波以合适的频率通过时，臂就会交替地扩张和收缩，改变干涉模式。但是光不会膨胀和收缩吗?令人惊讶的答案是“不”，这就是原因。
如果胳膊的长度相同，两条胳膊的速度相同，天辰在线速官网那么任何运动……在这两个垂直的方向将同时到达。但是，如果有一个有效的逆风/顺风在一个方向超过另一个方向，或手臂长度改变相对于另一个，将有一个滞后的到达时间。
如果胳膊的长度相同，两条胳膊的速度相同，那么任何运动……[+] LIGO科学合作
上图展示了什么是迈克尔逊干涉仪:一个非常古老的设备，它是为一个完全不同的目的而设计的。1881年，阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Michelson)试图探测以太，以太被认为是光波通过的介质。在狭义相对论出现之前，所有的波都被认为需要一种介质才能通过，比如水波或声波。
迈克尔逊建造了这样一个干涉仪，他的推理是，地球正以大约每秒30公里的速度绕着太阳在太空中运行。由于光速为每秒30万公里，他估计他能看到由干涉仪产生的干涉图样，干涉图样取决于仪器相对于地球运动的角度。
如果你把光分成两个互相垂直的部分，再把它们重新组合在一起，它们就会产生……[+]干涉图样。如果有光通过的介质，干涉图样应该取决于你的仪器相对于那个运动的方向。
如果你把光分成两个互相垂直的部分，再把它们重新组合在一起，它们就会产生……[+]维基共享用户STIGMATELLA树蛙,他做这个实验的比预期的更好的精度的大小效应:约40倍。然而，他只得到了一个否定的结果，证明以太并不存在，至少物理学家们是这样认为的。1907年，迈克尔逊被授予诺贝尔物理学奖，这可以说是唯一一次因为实验“无效结果”而获奖。
这就证明了光速对所有的观察者都是一样的，与其他运动无关，与光传播方向相反，垂直于光传播方向，或者与光传播方向成任意角度。只要干扰图案是在一个特定的方向上产生的，它就应该是不变的，不管你如何定位你的探测器。
迈克尔逊干涉仪(顶部)在光模式(底部，固体)显示了一个微不足道的变化，因为……[+]与伽利略相对论正确时的预期值相比(下，虚线)。无论干涉仪指向哪个方向，包括与地球在空间中的运动方向一致、垂直或相反，光速都是一样的。
迈克尔逊干涉仪(顶部)在光模式(底部，
天辰登录注册固体)显示了一个微不足道的变化，因为……[+]阿尔伯特·a·迈克尔逊(1881);A. A. MICHELSON和E. MORLEY (1887)
然而，相对于另一只手臂，延长或缩短一只手臂会改变路径长度，因此会改变我们看到的干涉图样。如果你把镜子的远端移动到离近端更近或更远的地方，那么波形成的波峰-波谷-波峰-波谷的图案就会有轻微的变化。但如果你保持器械稳定，保持手臂长度不变，这种模式就不会改变。
为了在第一个地方建立引力波实验，这些是你需要满足的条件。你必须正确地配置和校准你的探测器，考虑到所有来源的噪音，并把你的灵敏度降低到一个点，在那里它可以很容易地探测到引力波引起的微小的臂长变化。经过几十年的努力，LIGO的合作是第一个达到噪声阈值的引力波探测器，可以产生物理的、可观察到的效果。
你可能听说过光是一种波:一种电磁波。光由同相的、振荡的、相互垂直的电场和磁场组成，这些电场和磁场与附近的任何与电磁场耦合的物质相互作用。
类似地，有一个重力的类比:引力波。这些涟漪以光速在空间中移动，但不会产生与粒子相互作用产生的可检测信号。相反，它们以相互垂直的方向交替拉伸和压缩穿过的空间。当引力波通过空间区域时，空间的任何体积都会在一个维度上膨胀，并伴随着垂直方向上的稀疏(或压缩)。然后，波以频率和振幅振荡，就像其他波一样。
这就是为什么我们的引力波探测器是用垂直的力臂构成的:这样当一个波通过它们时，两个不同的力臂会有不同的效果。当引力波通过时，一只手臂压缩，另一只手臂膨胀，反之亦然。
考虑到地球的曲率，LIGO、Virgo和KAGRA探测器都是成角的。所有的探测器都同时工作，不管入射波的方向如何，多个探测器都会对引力波信号敏感。只要波本身通过探测器——没有已知的方法来保护你免受引力波的影响——它就会以可检测的方式影响臂的路径长度。
但这就是问题的所在:如果空间本身是什么在膨胀或压缩，那么穿过探测器的光不应该也在膨胀或压缩吗?如果是这样的话，通过探测器的光的波长难道不应该与引力波不存在时的波长相同吗?
这似乎是一个真正的问题。光是一种波，定义任何单个光子的是它的频率，而频率又定义了它的波长(在真空中)和能量。当光波所占据的空间拉伸(红色)或收缩(蓝色)时，光会发生红移或蓝移，但一旦光波穿过后，光线就会恢复到原来的波长。
似乎光应该产生相同的干涉图样，不管引力波如何。
LIGO和Virgo发现了一个新的黑洞群，其质量比什么都大……[+] LIGO/VIRGO/NORTHWESTERN university /FRANK ELAVSKY
然而，引力波探测器真的有用!它们不仅起作用，而且它们已经识别出黑洞-黑洞合并的明显特征，使我们能够重建它们合并前和合并后的质量，它们的距离，它们在天空中的位置，以及许多其他属性。
理解这一点的关键是忘记波长，专注于时间。是的，波长确实依赖于引力波通过时空间的变化;这些红移和蓝移是真实的。但不变的是真空中的光速，总是299,792,458米/秒。(这些引力波机器的激光腔提供了有史以来最好的人造真空。)如果你压缩你的一只胳膊，光旅行的时间就会缩短;如果你扩展它，光旅行时间延长。
而且，随着相对到达时间的变化，我们可以看到一个振荡模式出现在一个真实的引力波事件中(重建的)干涉模式是如何随时间变化的。
LIGO和Virgo观测到的合并黑洞的静态图像。TERESITA RAMIREZ/GEOFFREY LOVELACE/SXS的合作/LIGO-VIRGO的合作
当在每个激光脉冲开始时分离的两束垂直光束在探测器中重新结合时，它们就形成了我们所观察到的临界干涉图样。如果在任何一点上有臂长上的差异，那么这些光束所经过的时间就会有差异，因此干涉图样就会改变。
这就是我们使用光束而不是单个光子的原因。如果一对光子同时发射，并沿垂直方向运动，最先看到最短累积路径长度的光子会先到达:在它的伙伴光子之前，它会看到更长的累积路径长度。
但是波是连续的光源。即使到达时间只差10 ~ 27秒，这也足以使两波，最初调谐导致干扰模式消失，出现壮观的振荡失配，产生临界信号。
当两臂长度相等，没有引力波通过时，……[+]美国国家航空和宇宙航行局
你可能仍然会担心光的红移和蓝移效应，但是有两个原因可以忽略它们。
即使光的波长在它的旅程中改变，所有波长的光，至少在真空中，以相同的速度传播。
即使光的波长在点与点之间变化，这些变化也是短暂的;当它们到达探测器时，在空间中的同一点，它们的波长会再次相同。
这是所有这一切的关键和重要的一点:红光(长波)和蓝光(短波)通过相同的距离需要相同的时间。
光子波长越长，能量越低。但是所有光子，不管。[+] NASA/索诺马州立大学/AURORE SIMONNET
事实是，当引力波通过探测器时，它会改变相互垂直的两臂的相对路径长度。路径长度的改变改变了每个光量子所需的光旅行时间，从而导致不同的到达时间，并导致干涉模式的改变。当两臂的长度同时改变时，我们可以利用这些信息来重建在遥远源产生的引力波的性质。
理解它的工作原理的关键是一束光在仪器中停留的时间稍长一些，天辰线路测试所以当它到达探测器时，它与它的对应物的相位稍微不一致。由于LIGO(以及Virgo和KAGRA)的手臂压缩了约0.01%的质子宽度，这个微小的时间位移目前被用于在当前的Run III中发现数十个新的合并事件。引力波现在是一门强大的观测科学，现在你知道它的探测器是如何工作的了!