不断升级的"顺风耳"，通过"压缩光"技术帮助科学家探测引力波
自从爱因斯坦在百年前预言了引力波的存在，科学家们就为寻找引力波而乐此不疲。自从有了LIGO，引力波终于露出了庐山真面目。LIGO的中文全称是激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitation Wave Observatory)，在2015年首次检测到两个黑洞碰撞时产生的引力波。
当两个黑洞合并时，它们释放出巨大的能量。当LIGO在2015年检测到第一次黑洞合并时，科学家发现释放三个太阳质量产生的能量，形成的引力波。但是，不幸的是引力波与物质的相互作用并不强，所以通过物质变化检测引力波就显得徒劳无功。引力波的影响是如此之小，以至于我们需要无限接近引力波合并的本质，才能"感受"到它们的存在。
引力波模式图
那么，问题来了，科学家是怎么可能观察到跨越数百万光年的黑洞引力波的呢？
你一定觉得这一切听起来太荒谬了。引力波是时空结构中的涟漪，当引力波穿过物体时，物体中粒子的相对位置会发生轻微移动，只有通过这些移动，我们才能检测到引力波。但是这种转变是微不足道的。LIGO通过相距4公里的一对镜子来测量移动。当强大的引力波通过LIGO时，镜子将仅移动质子宽度的千分之几。
图：LIGO工作示意图。
LIGO通过一种称为激光干涉技术来测量光位移的距离。光线具有波状特性，因此当两束光束重叠时，它们像波一样合并。如果光波成一直线或"同相"，则它们会叠加起来变得更亮。如果它们异相，它们将抵消并变暗。因此，LIGO从一束同相的光束开始，然后将其分离，沿着LIGO的一个臂发送一束光束，然后沿着另一臂发送一束光束。每个光束从4公里外的镜子上反射，然后返回以合并为检测器所见的单个光束。如果反射镜的距离改变，则组合光的亮度也会改变。
光的波长约为微米，但是引力波仅使反射镜移动该距离的一千亿分之一。因此，LIGO的每条光束在合并之前都沿着手臂来回移动了数百次。这极大地提高了LIGO的灵敏度，但同时也带来了其他问题。
图：LIGO镜子正在逐步升级
要工作，必须将LIGO镜子与地面和附近仪器的任何背景振动隔离开。为了达到这个目的，反射镜阵列由细细的玻璃线悬挂。整个系统也需要放置在真空中。检测器是如此灵敏，以至于穿过光束的空气分子被吸收为噪音。LIGO真空室内的气压小于大气压的万亿分之一，低于星际空间。
在人类工程学的极限范围内，LIGO系统是一个隔离的真空系统，其中唯一可以移动后视镜的是重力本身。它不是完美的，但是非常好。太好了，事情开始变得怪异。即使检测器被完全隔离并置于理想的真空中，检测器仍会拾取噪声。该系统非常灵敏，可以拾取空白空间中的量子涨落。
LIGO
量子系统的一个中心特性是它们永远无法完全固定下来。这是海森堡不确定性原则的一部分。即使是真空也是如此，这意味着在真空中会出现量子涨落。当光子穿过这些波动时，它们会产生一些抖动，这使光束稍微移相。想象一下，一艘小船在汹涌的大海上航行，将它们束缚在一起将是多么困难啊。
图：LIGO量子压缩器近距离"写真"
但是量子不确定性是一件有趣的事情。尽管量子系统的各个方面总是不确定的，但它的某些部分可能非常精确。要注意的是，如果您将一个零件变得更精确，那么另一个零件就会变得不那么精确。对于光，这意味着您可以通过使光的亮度更加不确定来保持光束的相位更加对齐，这是可以实现的，科学家称之为"挤压光"，因为您以牺牲一个较小的不确定性为代价，"挤压"了另一个较小的不确定性，从而实现我们的观测目的。
图：光的压缩状态示意动画
光的这种压缩状态是通过光学一种称之为"参量振荡器"来完成的。它基本上是一种围绕特殊晶体的一组镜子。当光线通过晶体时，它将相位波动最小化，因此幅度的波动就会变大，尽管如此，这种调整对LIGO探测器的灵敏度和目的目的是至关重要的。
通过这些技术升级，科学家实现了对LIGO灵敏度的提升目的，据了解灵敏度至少提高一倍。这些细微的技术进步，将帮助天文学家更清楚地观测到黑洞合并，以及合并的时候发生了哪些变化，更有趣地是，LIGO有可能发现全所未有的"细枝末节"。这些新发现，比我们以前见过的更暗或更远，更加隐蔽。
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