漢福德 LIGO 實驗的 4 公里長臂。 LIGO 實驗室：www.ligo.caltech.edu，作者提供
重力波是時空結構中的神秘漣漪，以光速穿過我們的宇宙。愛因斯坦預言正好100年前，許多實驗一直在尋找它們。其中一項實驗，光達，現在已經找到他們了。但它實際上是如何運作的呢？
重力波是由劇烈的天文物理事件引起的，涉及中子星和黑洞等巨大而緻密的物體相互碰撞。儘管引發這些事件的事件是災難性的，但它們距離我們如此遙遠，以至於對地球上當地的時空結構的影響非常微妙。
因此，科學家們不得不建造極其靈敏的巨大光學儀器，稱為雷射干涉儀，來搜尋它們。雷射干涉重力波天文台 (LIGO) 將這些成果整合到一項實驗中，來自世界各地 86 個機構的 1,000 多名科學家使用這些儀器或它們產生的數據進行工作。
兩束光束、一些鏡子和一個探測器
建造重力波干涉儀所需的只是兩束光束，它們在成對的鏡子之間沿著管道傳播到不同的方向，例如向北和向西。經過的引力波的效應應該使空間在一個方向上拉伸，並在直角方向上收縮。在地球上，這會導致鏡子發生微小的擺動，使一對鏡子之間的距離變小，而另一對鏡子之間的距離變大。這種擺動實際上是鏡子對時空的拉伸和壓縮的反應，這真是太神奇了。
受重力波影響的粒子環。
它與池塘上的波浪非常相似。放下一個漂浮的物體，當波浪穿過時，物體會上下擺動幾次。 LIGO 鏡子在重力波池中擺動，重力波池更加複雜，但仍會導致各地的運動以特有的方式有所不同。
然後，距離的細微變化可以由探測器記錄下來，該探測器用於監控從兩個乾涉儀臂返回的雷射。為了確保這不是僥倖，我們有兩台這樣的機器，並將它們放置在美國的兩端，並要求它們同時執行相同的“跳舞鏡子”操作：其中一台在路易斯安那州利文斯頓另一個在漢福德 (華盛頓州)。
飛越 LIGO。作者提供
那麼，這在實務上是如何運作的呢？一項關鍵任務是「鎖定」干涉儀，這意味著穩定鏡子之間的間距，以便雷射按照設計在鏡子表面之間產生共振。 1997 年，當我在麻省理工學院研究 LIGO 原型時，科學家使用帶有 12 個旋鈕的手持盒手動完成鎖定。現在它是由電腦控制的，以便操作員啟動序列，感測器會指示每個鏡子何時移動到正確的位置。由於溫度變化、硬體的機械鬆弛，甚至月亮在天空中的位置，鏡子的位置和角度往往會緩慢漂移，因此調整鏡子是一項日常任務。
現場的科學家和工程師還監控有關探測器和物理環境的診斷訊息，以便當探測器無法正常工作時，可以識別並解決原因。我在 LIGO 控制室和實驗室待了很多時間；我最近的機器工作是在故障排除練習中精確測量鏡子之間的距離。實際上，這意味著要在一個非常大的房間裡穿著潔淨室工作服並靠在鋼桌上工作幾個小時，通常工作到深夜。
LIGO 控制維基媒體
如果我讓這聽起來很容易，那麼事實並非如此。 LIGO 擁有專為探測器開發的突破性技術。每個 4 公里長的干涉儀臂必須根據地球曲率進行修正。每個探測器都必須與地面振動完美隔離，並且必須處於真空狀態，以便污染物和氣體不會破壞鏡子之間的雷射。
兩個探測器必須一次取得數月的數據——絕不遺漏任何一個數據點，也絕不落後。當您的探測器分佈在數公里範圍內時，這本身就是一個技術挑戰。 LIGO 是一個工程和物理奇蹟，是有史以來建造的最複雜的機器之一，能夠成為其中的一部分令人興奮。
