关于引力波，已经有很多科普文章做了大量的介绍；关于LIGO的内部构造，还鲜有人揭开它的神秘面纱。英国伯明翰大学研究LIGO光学系统的王梦瑶博士为《知识分子》撰文，介绍LIGO敏感的秘密。
由于引力波被观测到，大家对引力波及LIGO探测器的关注度陡增。网上的科普也是非常之多，以不同风格和不同角度地去探讨这一个发现。我今天从测量的角度来跟大家聊下为啥LIGO那么敏感，居然能感知到微弱的引力波。一些内容在国家天文台博士研究生刘博洋的《这些黑科技，让LIGO笑到最后发现引力波》和其他科普文章中有过介绍，这里主要介绍我们如何衡量探测器的敏感度以及怎样让探测器变得敏感。
大家也许听说过LIGO的核心设备是一个迈克耳逊激光干涉仪。它由激光、分束镜、镜子还有光电管组成。利用光波的干涉效应，引力波引起微小的臂长改变转换成光电管测到的光强变化，给出我们要的观测数据。那么看似简单的实验原理图为什么实现起来却变成上图的LIGO？其中原委首先得先提到Kip Thorne和其他理论前辈们，他们对不同的引力波源做了理论分析，制定了LIGO的科学目标。
根据科学目标，像Rainer Weiss和Ronald Drever的实验前辈们和后起之秀以他们几十年的实验摸索和经验最终设计了LIGO及其升级版Advanced LIGO。
定量上是如何知道探测器能够实现预期的科学目标呢？理论学家根据基础物理理论以及天文知识，推算典型引力波源到达地球时的振幅强度，给出探测信号的大小估计。实验学家则通过小型实验了解探测器重要部件的物理性质研究其中的各种噪声过程，利用仿真模拟和理论计算估计出大型探测器中的这些噪声的强度。经过一系列的方案，最终让设计出的探测器噪声强度低于典型信号强度。探测器敏不敏感就得看噪声能压到多低。
衡量探测器敏感的标杆就是图3所示的灵敏度曲线，也称之为噪声功率谱。图的横轴是频率，纵轴是噪声幅度。它形象地展示了噪声在不同频率的强度，越低的频段对应的探测器灵敏度越高。怎么在数值上去解读这样一个曲线呢？我们看100Hz附近，噪声幅度大概是这跟我们通常说可测的最小信号振幅有什么关系呢？下面是个简略的换算公式：这代表对于持续时间1秒钟的100Hz引力波信号，干涉仪可探测的最小信号振幅是10-23。
相对应的，两臂长的改变≈引力波振幅×干涉仪臂长对于LIGO臂长为4公里，对应的臂长改变为10-23×4000 =4×10-20米。如果100Hz的信号持续100秒，最小可测振幅为10-24。
LIGO的实验前辈们想了各种方法来降低噪声，大致可分为下面三种：1.“消”：用各种方式抵消噪声但同时保留信号。2.“抹”：把噪声的效果最大可能地平均掉。3.“闪”：把噪声能量集中到我们不关心的频段去。
先来看看“消”，这其实是我们为什么选择迈克耳逊干涉仪的主要原因之一。再好的激光，也不能做到绝对的单色，它的频率（或相位）也会有波动。原子的受激辐射产生激光，但由于原子的热运动以及各种外界扰动的存在，原子受激辐射后产生的光子频率并不完全相同。Advanced LIGO用的激光器是德国马普所主要研发的，做得非常精细而且频率很稳。但要测量微弱的引力波信号，激光的频率噪声还是太高了。
迈克耳逊干涉仪测的是由引力波导致的两臂长的差别。引力波到来时，会拉伸其中一个臂，压缩另外一个臂，这样就改变臂中光的传播：其中一个臂的光传播时间时而长时而短，另一个臂的是时而短时而长，因此两臂中光波传输的时间变化是相反的。
光电管测的是两臂中的光波差值的强度，结果正负得负噪声相消，而负负得正信号相加。如果两臂长是完全对称相等的话，那么来自激光的频率噪声就几乎全部被消掉了。不过，出于实际仪器操作上的考虑，以及让光电管输出的光电流和引力波信号成线性关系，干涉仪的两臂长故意留了小小的差别。就是因为这小小的差别，我们不得不把从激光器出来的光再做进一步稳频，降低频率噪声。
这就是图7中紧接着激光后面的输入模式清洁器的用处。它是一个由3个镜子构成的光学谐振腔，就跟一个过滤器一样，只有特定频率附近的光波才能通过，这样就把很多杂七杂八的频率给滤掉了，实现了稳频。我们一步一步地把激光频率噪声降低到图4中主要噪声之下，就不再影响LIGO的灵敏度。同样地，我们也把激光的振幅噪声降得足够低。
再来看“抹”，我们还是拿激光作为例子。
假设我们激光里的原子都老老实实地待着，经典热运动导致的频率噪声为零，是不是激光就没有频率涨落了呢？目前的量子力学告诉我们“真空不空”，宇宙到处弥漫着量子涨落。即使我们做得再好，激光的频率也会被这些真空涨落所扰动。真空涨落对应的能量是一定的，而激光里面每个光子能量也几乎是一定的。每个光子都携带引力波的信号，如果只有几个光子，那么真空涨落的能量产生的影响就很显著。
如果激光光强很大，光子数很多，我们就能用千军万马把量子涨落的影响给“抹”平。
图8显示的是Advanced LIGO用的高功率激光器，最高可输出光强为200瓦。激光对应的波长是1064纳米，那么每个光子的能量大概是10-19焦耳，这代表一秒钟激光器就能输出将近1021个光子。但是这还不够，为了得到更多的光子，我们用了两个或多个反射镜组成的光学谐振腔来存储光子，从而放大光强。
这也是为什么图7中Advanced LIGO的光学构型比图1中简单的迈克耳逊干涉仪要复杂的重要原因之一——我们引入了多个谐振腔。从图7可以看到，Advanced LIGO的激光功率从最开始的125瓦放大到5.2千瓦，最后在两臂的谐振腔内达到750千瓦。第一阶段的Advanced LIGO目前只用了将近八分之一的光强，两臂腔内光强大概为100千瓦。
后期会逐步增加光强，降低量子涨落导致的噪声，从而达到设计灵敏度。末尾提一句，“抹”的办法也用在了降低镜面镀膜的热振动噪声上了，镀膜里面的每个原子热运动的幅度要远远大于引力波导致的镜子运动幅度，但是激光在镜子上的光斑很大，瞬间可以照在很多很多原子上，这样就把原子的热运动给平均掉了。
最后我们来讲“闪”，这里我们用悬线的热振动作为例子。
如图9所示，悬线和我们吉他上的琴弦很类似，除了材质不一样，基本的物理是相通的。直观上大家会以为琴弦只有在拨动之后才会振动，其实不然。由于原子的热运动，琴弦无时无刻不在振动，只是振幅太小，我们听不到而已。但是对引力波探测器，这种热振动对我们微弱的引力波信号干扰却很大。如何降低呢？悬线和琴弦一样有特征的振动频率。大家知道，琴弦的材质越好，音（频率）就可以调得比较准，悬线也是这样。
非常重要的一点是热振动的能量主要集中在特征振动频率上，越好的悬线就越能把热振动能量集中起来，使得特征频率以外分摊到的热能量很少。就是利用这点，通过巧妙地设计悬线的特征振动频率：悬线伸缩振动的频率为9Hz而横向振动的频率为500Hz以上，这样我们最关心的100Hz附近的微弱引力波信号就能“闪”开热振动了。