汉福德 LIGO 实验的 4 公里长臂。LIGO 实验室：www.ligo.caltech.edu，作者提供
引力波是空间和时间结构中神秘的涟漪，以光速穿越我们的宇宙。爱因斯坦曾预言100年前，许多实验都在寻找它们。其中一个实验激光干涉引力波天文台，现在已经找到了它们。但它实际上是如何运作的呢？
引力波是由剧烈的天体物理事件引起的，这些事件涉及中子星和黑洞等巨大致密物体的相互碰撞。尽管引发引力波的事件非常剧烈，但它们距离我们如此遥远，以至于对地球上局部空间和时间结构的影响非常微妙。
因此，科学家们不得不建造极其灵敏的巨型光学仪器，称为雷射関瘋仪，寻找它们。激光干涉引力波天文台（LIGO）将这些努力整合在一起，进行了一项实验，来自全球 86 个机构的 1,000 多名科学家使用这些仪器或它们产生的数据进行研究。
两束光束、一些镜子和一个探测器
建造引力波干涉仪只需要两束光束，它们沿着通向不同方向（比如说北和西）的管道在镜子对之间传播。引力波经过时，会在一个方向上拉伸空间，在垂直方向上收缩空间。在地球上，这会导致镜子发生微小的摆动，因此一对镜子之间的距离会变小，而另一对镜子之间的距离会变大。这种摆动实际上是镜子对时空拉伸和压缩的响应，这真是太神奇了。
受引力波影响的粒子环。
这和池塘里的波浪非常相似。放下一个漂浮的物体，当波浪经过时，物体会上下摆动几次。LIGO 的镜子在引力波的池塘中摆动，引力波更为复杂，但仍会导致运动因地而异。
然后，距离的细微变化可以通过探测器记录下来，探测器用于监测从两个干涉仪臂返回的激光。为了确保这不是偶然的，我们有两台这样的机器，并将它们放置在美国的两端，并要求它们同时做同样的“舞镜”动作：一台在路易斯安那州利文斯顿另一个在华盛顿州汉福德。
飞越 LIGO。作者提供
那么，这在实践中是如何运作的呢？一项关键任务是“锁定”干涉仪，这意味着要稳定镜子之间的间隔，以便激光按照设计在镜子表面之间产生共振。1997 年，当我在麻省理工学院研究 LIGO 原型时，锁定是由科学家手工完成的，使用一个带有 12 个旋钮的手持盒子。现在它是由计算机控制的，因此操作员可以启动序列，传感器会指示每个镜子何时移动到正确位置。由于温度变化、硬件的机械松弛，甚至月亮在天空中的位置，镜子的位置和角度往往会缓慢漂移，因此调整镜子是一项日常任务。
现场的科学家和工程师还监控有关探测器和物理环境的诊断信息，以便在探测器无法正常工作时，可以确定原因并加以解决。我在 LIGO 控制室和实验室里待了很多个小时；我最近的机器工作是在故障排除练习中精确测量镜子之间的距离。实际上，这意味着要穿着洁净室服装，在一个很大的房间里俯身靠在钢桌上，经常工作到深夜。
LIGO 控制维基媒体
我说得好像很简单，其实不然。LIGO 采用了专为探测器开发的突破性技术。干涉仪臂长 4 公里，必须根据地球曲率进行校正。每个探测器都必须与地面振动完美隔离，并且必须处于真空状态，这样镜子之间的激光才不会受到污染物和气体的干扰。
两个探测器必须同时采集数月的数据 - 绝不错过任何数据点，绝不落后。当你的探测器分布在几公里外时，这本身就是一项技术挑战。 LIGO 是一个工程和物理奇迹，是有史以来最复杂的机器之一，能够参与其中令人兴奋。
