# 两条长长的激光臂怎样听见宇宙震动

How Two Laser Arms Sense Ripples in Spacetime: a bilingual simplified Michelson interferometer

By DUSK

Topic: Physics & Chemistry

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## Guide

### 1. 一束光,一分为二

谜题:遥远黑洞相撞产生的时空涟漪,只让4公里长的臂伸缩不到质子直径的千分之一。光怎么可能察觉?从这里开始:激光器发出步调一致\(相干\)的光,分束镜把它一分为二,送进两条互相垂直的臂。

真实LIGO用1064纳米的红外激光,肉眼看不见;这里画成红色只是为了便于观看。

### 2. 两次往返

每束光跑到臂端的镜子,再被反射回来。这些镜子是透明的熔融石英块,用细丝像钟摆一样悬挂起来,让地面的晃动尽量传不到镜子上。打开剖面,看看悬挂镜的内部。

真实的测试质量约40千克、直径34厘米。LIGO的光在每条臂里来回约280次,本模型只画一次往返。

### 3. 在暗口重逢

两束光回到分束镜重新相遇。臂长调好时,一束光的波峰正好遇上另一束光的波谷,彼此抵消,通往探测器的出口几乎全暗。拖动滑块改变路程差,看出口怎样由暗变亮、再变暗。

暗不代表光消失了:这部分能量回到了激光器那一侧。

### 4. 一臂变长,一臂变短

引力波从上方经过时,会沿一个方向拉伸空间、沿垂直方向压缩,接着反过来。于是一条臂变长、另一条变短,两束光不再完全抵消,探测器亮起微光。留意白色测试粒子环被挤成椭圆。

真实的长度变化约10⁻¹⁸米;画面中的变形被放大了约10¹⁹倍,时间也放慢了约200倍。

### 5. 信号与噪声

比较三种情况。引力波让两臂反向变化,出口闪烁;两臂同时同向晃动\(共模扰动\)大部分相互抵消,出口几乎不变;而本地震动只推动一面镜子,也会造成闪烁。所以并不是每次闪烁都是引力波。

共模扰动只是被大大削弱,并非完全消除。真实LIGO依靠真空、多级悬挂和隔振来压低噪声。

### 6. 两地对照

想一想:为什么一台探测器不够?LIGO在相距约3000公里的两地各有一台。真正的引力波以光速掠过,先后\(最多相差约10毫秒\)在两台仪器里留下相似的信号;本地震动只出现在一台里。按下按钮,比较两条记录。

要点:光并没有"听见"声音,它比较的是两条臂的长度。2015年首次探测时,两地信号相差约7毫秒。常听到的"啁啾"声是把数据转换成声音\(声化\),不是穿越太空的声波。