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title: "用激光听见时空互动实验｜Sandbox Physics"
description: "怎样把小于质子的长度变化，变成可以读取的信号？靠干涉。引力波经过时，把一条四公里长的臂拉长，同时把另一条压短。"
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last_modified: "2026-10-27"
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引力波 · 激光干涉测量

# LIGO · Listening to Spacetime

**怎样把小于质子的长度变化，变成可以读取的信号？** 靠干涉。引力波经过时，把一条四公里长的臂拉长，同时把另一条压短。两束激光回来重新合在一起，这点差别会改变它们相消的程度，应变就变成了能读出的光信号。两个观测站同时看到，才算数。

飞进一台虚拟的 LIGO 探测器。先看引力波经过时，自由质量怎样一伸一缩；再进入两条互相垂直、各长四公里的臂，跟着激光分开、往返、相消；最后看两个观测站怎样一起确认一次黑洞并合的信号。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

为了能看清，画面里所有空间形变和光学相位都大幅夸张了。真实的 GW150914 事件只让四公里长的双臂产生约 $4\times10^{-18}\,\mathrm m$ 的长度差，大约是质子直径的 1/200。

科学解释

## 从画面看懂物理过程

发生了什么

### 图里的小球为什么会变成椭圆？

把小球想成彼此不相连、正在自由落体的测试质量。引力波从垂直于圆环的方向穿过时，小球并不是被某种风推着跑；改变的是它们之间的固有距离。+ 偏振让两个垂直方向一伸一缩，× 偏振是同一个形变旋转 45°。

因果链

1. 1

   **波穿过** 横向时空度规周期性振荡

2. 2

   **距离改变** x 方向变长时，y 方向同时变短

3. 3

   **圆环变形** 半个周期后长短轴交换

数学模型

$$
\begin{aligned} L_x(t) &\approx L\left[1 + \frac{1}{2}h_{+}(t)\right] \\ L_y(t) &\approx L\left[1 - \frac{1}{2}h_{+}(t)\right] \end{aligned}
$$

符号

- **$L$**: 没有引力波时的基准距离
- **$h_{+}(t)$**: + 偏振的无量纲应变
- **$L_x,\,L_y$**: 两个垂直方向上的固有距离

**模型局限** 这里采用长波极限和 TT gauge 的标准教学图像；动画把应变夸大了约 10²⁰ 倍。测试质量的坐标可以保持不变，但固有距离会改变。

依据与延伸阅读 [LIGO 干涉仪原理](https://www.ligo.caltech.edu/LA/page/ligos-ifo) [Advanced LIGO 与 GW150914](https://ligo.org/science-summaries/GW150914Detector/) [Advanced LIGO DC readout](https://dcc.ligo.org/public/0094/G1200743/001/G1200743v1_part3.pdf)

## 相关实验与文章

继续探索

### 先理解，再测量

微小的臂长变化怎样变成输出信号？

1. [当前页面 **LIGO · Listening to Spacetime** 先浏览时空、干涉臂与光学读出的视觉导览。](https://sandboxphysics.com/zh/labs/ligo-interferometer/)
2. [实验 **LIGO 干涉仪** 在测量模型中改变偏置、臂腔储光与功率回收。](https://sandboxphysics.com/zh/labs/ligo-system-interferometer/)

波与光学 · 入门路径

## 从一条光线到干涉测量

从折射出发，找到光线模型失效的地方，再用干涉测量极小的距离。

[从这里开始 → **光学界面探索器** 转动入射角，观察反射与透射功率此消彼长；再切换到“临界角与全反射”场景。 观察 · 11 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)

1. [1 光学界面探索器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)
2. [2 彩虹焦散观测站](https://sandboxphysics.com/zh/labs/rainbow-laboratory/)
3. [3 针孔相机](https://sandboxphysics.com/zh/labs/camera-obscura/)
4. [4 相干波合成器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/coherent-wave-composer/)
5. [5 Young 双缝实验台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/young-double-slit-bench/)
6. [6 Michelson 精密测量台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/michelson-precision-lab/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/waves-and-optics/#starter-path)