精密测量仪器激光干涉仪引力波观测台豆皮机

  2月11，美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)宣布第一次直接探测到引力波，证实了爱因斯坦引力理论的最后一项预言，震动世界。   该项发现第一次证明了一个世纪前爱因斯坦所提出的时空结构涟漪假说的真实存在。这一发现的宣布，让全球的天文爱好者为之振奋，并将其比作同伽里略开启太空观测一样的另一座科学里程碑。  那么，引力波究竟是什么？   引力波也称重力波，引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递的一种方式。如同电荷被加速时会发出电磁辐射，同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射，这是广义相对论的一项重要预言。   引力波与流体力学中的重力波很相似，当液体表面或内部液团由于密度差异离开原来位置，在重力（gravity force）和浮力(buoyancy force)的综合作用下，液团会处于上下振动以达到平衡的状态。即产生波动。引力波则是由于空间质量和速度的变化导致空间产生的波动。  有何意义？   引力波的发现意义重大，从科学意义上看，引力波可以直接与宇宙大爆炸连接。广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中，这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦发现了宇宙大爆炸时期的引力波，就可以揭开宇宙的各种谜团，甚至了解宇宙的开端和运行机制。   激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到黑洞合并，一个重要的科学意义就是证实了黑洞确实存在，至少是一种完美的圆形物体，由纯真空的、弯曲的时空构成，像广义相对论预测的那样。  精密测量仪器——激光干涉仪引力波观测台   令科学家们第一次得以窥见引力波“真容”的机器，是有史以来最先进的、用于探测宇宙中最轻微振动的探测仪。置于美国地下的这两台探测仪，名为激光干涉仪引力波观测台(LIGO)。其中一台位于华盛顿的汉福德，另一台位于约3000公里外的路易斯安那州的利文斯顿。   观测台的建设工作始于1999年，并在2001年到2007年间开展了观测工作。之后，这两个观测台经历了一次重大升级，令其功能增强了10倍。2015年9月，升级后的高级LIGO探测仪首次开始全面运转。当月14日，路易斯安那州的探测仪首先捕捉到了一个来自13亿年前南部天空的引力波信号。7.1毫秒后，华盛顿的探测仪也捕捉到了相同的信号，这使得科学家们能够证实这一发现真实不虚。   上述两部完全相同的检测器可以在引力波穿过后检测到细微的波动。引力波探测仪“就是一台将太空中的波动转变为电子信号的大型仪器”。  这些超精密测量仪器通过利用单个长约4千米的大型激光干涉仪工作。这些干涉仪都被埋在地下，令其能够得出最精确的测量结果。这种L型仪器根据激光物理学和空间物理学原理追踪引力波。它们不像望远镜那样依赖天空中的光线。它们感知太空中的振动，这种优势令它们可以揭示黑洞的特性。  测量原理  用干涉仪进行科学探测的基本原理是比较光在其相互垂直的两臂中度越时所用的时间。当引力波在垂直于干涉仪所在的平面入射时，由于特殊的偏振特性，它会以四极矩的形式使空间畸变，也就是说，会以引力波的频率，在一个方向上把空间拉伸，同时在与之垂直的方向上把空间压缩，反之亦然。对于激光干涉仪来说，当引力波通过时，干涉仪相互垂直的两臂所在的那部分空间自然也产生拉伸或压缩效应。也就是说，引力波会使干涉仪的一臂伸长而同时又使另一臂缩短。比较光在相互垂直的两臂中度越时所用的时间的变化，就能探测引力波产生的效应，从而知道引力波是否存在。   原则上讲，激光干涉仪引力波探测器是一台“变异”的迈克尔逊干涉仪（迈克尔孙干涉仪是用来测量长度和长度变化的设备），其相互垂直的两臂各有一个法布里—珀罗腔，并带有光循环镜和其他功能部件。如果不考虑法布里珀罗腔光循环镜及其他部件的作用，激光干涉仪引力波探测器就可以简化成一台单次往返的迈克尔逊干涉仪。  激光干涉仪引力波探测器是一种大型综合性实验装置，由光学部分、机械部分、信号转换部分和控制部分等组成。本质上讲，它应该是一台超大型高精度的光学仪器，其光学部分包括迈克尔逊干涉仪、法布里—珀罗腔、光循环镜、频率调制器、光隔离器、波片、信号引出系统。   作为一种大型的精密光学仪器并作为引力波天文学研究的关键设备，激光干涉仪引力波探测器已在世界各地蓬勃发展起来，开辟了引力波探测的新时代。２０世纪８０年代，数十台小型干涉仪陆续兴建，到２１世纪初，几台大型激光干涉仪相继建成并投入运转，。这些大型干涉仪被称为第一代激光干涉仪引力波探测器，当前，采用新材料、新技术、新工艺的第二代激光干涉仪正在紧张地建造之中，同时，以爱因斯坦引力波望远镜为代表的第三代激光干涉仪引力波探测器也开始筹划，随着第三代激光干涉仪引力波探测器的建立，人类必将进入引力波天文学蓬勃发展的新时代。  《精密测量仪器激光干涉仪引力波观测台》是由（www.xianjichina.com）所编写的一篇关于精密量测仪器在现代科学研究中起到的作用的文章，是中国领先的企业技术服务平台，专业从事企业技术支持服务，解决企业在实际生产中所遇到的各种技术难题，为国内广大中小企业提供完整的技术解决方案。

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