不斷升級的"順風耳"，通過"壓縮光"技術幫助科學家探測引力波
自從愛因斯坦在百年前預言了引力波的存在，科學家們就為尋找引力波而樂此不疲。自從有了LIGO，引力波終於露出了廬山真面目。LIGO的中文全稱是激光干涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitation Wave Observatory)，在2015年首次檢測到兩個黑洞碰撞時產生的引力波。
當兩個黑洞合併時，它們釋放出巨大的能量。當LIGO在2015年檢測到第一次黑洞合併時，科學家發現釋放三個太陽質量產生的能量，形成的引力波。但是，不幸的是引力波與物質的相互作用並不強，所以通過物質變化檢測引力波就顯得徒勞無功。引力波的影響是如此之小，以至於我們需要無限接近引力波合併的本質，才能"感受"到它們的存在。
引力波模式圖
那麼，問題來了，科學家是怎麼可能觀察到跨越數百萬光年的黑洞引力波的呢？
你一定覺得這一切聽起來太荒謬了。引力波是時空結構中的漣漪，當引力波穿過物體時，物體中粒子的相對位置會發生輕微移動，只有通過這些移動，我們才能檢測到引力波。但是這種轉變是微不足道的。LIGO通過相距4公里的一對鏡子來測量移動。當強大的引力波通過LIGO時，鏡子將僅移動質子寬度的千分之幾。
圖：LIGO工作示意圖。
LIGO通過一種稱為激光干涉技術來測量光位移的距離。光線具有波狀特性，因此當兩束光束重疊時，它們像波一樣合併。如果光波成一直線或"同相"，則它們會疊加起來變得更亮。如果它們異相，它們將抵消並變暗。因此，LIGO從一束同相的光束開始，然後將其分離，沿著LIGO的一個臂發送一束光束，然後沿著另一臂發送一束光束。每個光束從4公里外的鏡子上反射，然後返回以合併為檢測器所見的單個光束。如果反射鏡的距離改變，則組合光的亮度也會改變。
光的波長約為微米，但是引力波僅使反射鏡移動該距離的一千億分之一。因此，LIGO的每條光束在合併之前都沿著手臂來回移動了數百次。這極大地提高了LIGO的靈敏度，但同時也帶來了其他問題。
圖：LIGO鏡子正在逐步升級
要工作，必須將LIGO鏡子與地面和附近儀器的任何背景振動隔離開。為了達到這個目的，反射鏡陣列由細細的玻璃線懸掛。整個系統也需要放置在真空中。檢測器是如此靈敏，以至於穿過光束的空氣分子被吸收為噪音。LIGO真空室內的氣壓小於大氣壓的萬億分之一，低於星際空間。
在人類工程學的極限範圍內，LIGO系統是一個隔離的真空系統，其中唯一可以移動後視鏡的是重力本身。它不是完美的，但是非常好。太好了，事情開始變得怪異。即使檢測器被完全隔離並置於理想的真空中，檢測器仍會拾取噪聲。該系統非常靈敏，可以拾取空白空間中的量子漲落。
LIGO
量子系統的一箇中心特性是它們永遠無法完全固定下來。這是海森堡不確定性原則的一部分。即使是真空也是如此，這意味著在真空中會出現量子漲落。當光子穿過這些波動時，它們會產生一些抖動，這使光束稍微移相。想象一下，一艘小船在洶湧的大海上航行，將它們束縛在一起將是多麼困難啊。
圖：LIGO量子壓縮器近距離"寫真"
但是量子不確定性是一件有趣的事情。儘管量子系統的各個方面總是不確定的，但它的某些部分可能非常精確。要注意的是，如果您將一個零件變得更精確，那麼另一個零件就會變得不那麼精確。對於光，這意味著您可以通過使光的亮度更加不確定來保持光束的相位更加對齊，這是可以實現的，科學家稱之為"擠壓光"，因為您以犧牲一個較小的不確定性為代價，"擠壓"了另一個較小的不確定性，從而實現我們的觀測目的。
圖：光的壓縮狀態示意動畫
光的這種壓縮狀態是通過光學一種稱之為"參量振盪器"來完成的。它基本上是一種圍繞特殊晶體的一組鏡子。當光線通過晶體時，它將相位波動最小化，因此幅度的波動就會變大，儘管如此，這種調整對LIGO探測器的靈敏度和目的目的是至關重要的。
通過這些技術升級，科學家實現了對LIGO靈敏度的提升目的，據瞭解靈敏度至少提高一倍。這些細微的技術進步，將幫助天文學家更清楚地觀測到黑洞合併，以及合併的時候發生了哪些變化，更有趣地是，LIGO有可能發現全所未有的"細枝末節"。這些新發現，比我們以前見過的更暗或更遠，更加隱蔽。
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