被稱為“時(shí)空漣漪”的引力波(gravitational waves，也有“重力波”的譯法，以下統(tǒng)稱引力波)，被愛因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論在一百年前的1916年預(yù)測(cè)存在。雖然近年來(lái)常有流言稱人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)引力波，但這一次的謠言顯得特別靠譜，因?yàn)檫@次的騷動(dòng)可是從激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)科學(xué)家 Lawrence M. Krauss 的推特上開始的：

引力波的發(fā)現(xiàn)對(duì)于物理學(xué)，宇宙學(xué)和人類對(duì)宇宙的宏觀理解將會(huì)有重大的意義，但如果你對(duì)上述的領(lǐng)域都不太了解，甚至可能一輩子都不會(huì)去試圖弄明白時(shí)光漣漪是個(gè)什么玩意。

那么引力波到底是什么東西？為什么科學(xué)家們一直想要觀測(cè)它？為什么我們要關(guān)心有沒有引力波呢？

簡(jiǎn)單地說，引力波就是時(shí)空表面上的光速震蕩，它是由宇宙中的“大事件”引發(fā)的，例如恒星爆炸，黑洞合并或宇宙各個(gè)角落中的各種事。組成一切的原子，包括天體和地球上的人類，都會(huì)因?yàn)橐Σǘl(fā)生小幅的震蕩。

其中小幅震蕩的幅度是真的很小。與產(chǎn)生引力波所需要的巨大能量相比較，時(shí)空漣漪顯得十分微弱。物理學(xué)家預(yù)測(cè)當(dāng)引力波到達(dá)地球時(shí)它的數(shù)量級(jí)將大約在一個(gè)原子直徑的十億分之一。所以要測(cè)量這樣的震蕩，收線首先你需要幾乎無(wú)限精確的測(cè)量?jī)x器，其次你需要一個(gè)幾乎完全沒有干擾與噪音的環(huán)境，總之一句話，人類科技目前還沒達(dá)到這個(gè)技術(shù)水平。

但引力波觀測(cè)技術(shù)最近也有了一些改變，科學(xué)家們對(duì)地面上最優(yōu)秀的觀測(cè)天文臺(tái) LIGO 做了改進(jìn)，同時(shí)發(fā)射了第一艘引力波探測(cè)器 LISA Pathfinder。LISA 上配有兩個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。物理學(xué)家希望我們能在2020年結(jié)束前觀測(cè)到時(shí)間漣漪，但這一天或許比我們想象的還要早。

從原理上說，測(cè)量引力波其實(shí)很簡(jiǎn)單，但落實(shí)到實(shí)踐上則難到幾乎不可能完成。物理學(xué)家的策略就是測(cè)量宇宙中兩個(gè)物體間距離中的微小波動(dòng)，但我們所希望看到的原子內(nèi)部的震蕩實(shí)在是太微小了，所以我們需要進(jìn)行可以將遠(yuǎn)距離中物體分開的實(shí)驗(yàn)，而就算是這樣，物理學(xué)家的測(cè)量也需要相當(dāng)精確。

這就是我們目前的引力波探測(cè)器背后的原理。LIGO 在2000年之后正式上線投入使用，科學(xué)家在華盛頓州的 Richland 和路易斯安那州的 Baton Rouge 分別懸掛兩個(gè)鏡面，形成第一個(gè)長(zhǎng)臂；隨后在前兩個(gè)鏡面垂直方向在放置兩個(gè)鏡面，形成兩條互相錘子垂直的長(zhǎng)臂。激光束由激光器發(fā)射并在鏡面之間反射大約50次(維基百科)，使等效臂長(zhǎng)大大增加。

LIGO 在加州理工學(xué)院的網(wǎng)站上解釋說，如果這兩個(gè)長(zhǎng)臂的長(zhǎng)度完全相等，那么激光的光程按理說也是完全相等的。但如果存在引力波的干涉，就會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，造成的光程上的偏差將會(huì)由光電探測(cè)器(photodetector)所探測(cè)到。

當(dāng)這個(gè)偏差發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子信號(hào)——這個(gè)電子信號(hào)究竟是不是引力波還要科學(xué)家們來(lái)說了算。一個(gè)問題是：地球的環(huán)境是很嘈雜的，各種噪音與干涉存在于這顆星球上，從地底的震動(dòng)到路面上的汽車火車，其中任何一種都能形成這種電子信號(hào)。這些背景噪音加上我們探測(cè)器在距離和技術(shù)上的不足，為引力波探測(cè)造成了嚴(yán)重的限制。LIGO 的第一輪觀測(cè)活動(dòng)在2010年結(jié)束，并沒有發(fā)現(xiàn)引力波存在的有力證據(jù)，有趣的是，為了讓科學(xué)家們不閑下來(lái)，LIGO 的內(nèi)部事務(wù)委員會(huì)特意制造了一個(gè)假信號(hào)。

在接下來(lái)的5年里 LIGO 對(duì)探測(cè)器做了很多改進(jìn)，截至去年9月，新的 LIGO 已經(jīng)比最初的 LIGO 靈敏度高了3倍。在上一次的引力波捕獲行動(dòng)中 LIGO 最遠(yuǎn)能“監(jiān)聽”6500萬(wàn)光年，而現(xiàn)在則能達(dá)到2億2千500萬(wàn)光年?？茖W(xué)家們期望能對(duì) LIGO 繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，將靈敏度提升至最初的10倍。

今年也是引力波探測(cè)首次走向太空的一年。LISA Pathfinder 于去年12月2號(hào)發(fā)射，作為一個(gè)原理循證(proof-of-principle)實(shí)驗(yàn)它將對(duì)引力波探測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。

在太空中探測(cè)引力波有幾個(gè)好處。首先太空的環(huán)境比地球“安靜”很多，唯一的噪音源來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)和宇宙輻射，而現(xiàn)有技術(shù)可以濾掉它們的干擾。但最重要的是，脫離了地球的束縛，探測(cè)器可以拉長(zhǎng)探測(cè)的距離“廣撒網(wǎng)”。

那么為什么發(fā)現(xiàn)引力波那么重要呢？除了證明愛因斯坦在廣義相對(duì)論中的預(yù)測(cè)之外，引力波的存在可以證明宇宙中一些神秘的現(xiàn)象。LISA Pathfinder 的科學(xué)家 Bill Weber 上月表示引力波是研究宇宙中占大部分的暗物質(zhì)，暗能量的最佳途徑。

要研究黑洞，中子星這樣不發(fā)光的天體，在人類目前所處的位置上不是件容易的事，但如果說白矮星，中子星和黑洞像是黃油的話，引力波就是一把黃油刀，它為我們打開了一個(gè)窗口，看到我們以前完全無(wú)法想象的天體奇觀。

另外，作為宇宙中具有巨大能量的現(xiàn)象之一，引力波能夠幫助我們理解重力式如何在極端環(huán)境下產(chǎn)生作用的。比如兩個(gè)質(zhì)量巨大的物體以接近光速的速度互相環(huán)繞運(yùn)行時(shí)，人類對(duì)它們之間的引力作用知之甚少。

兩天前的流言說，LIGO 可能探測(cè)到了引力波，但科學(xué)家還需要時(shí)間來(lái)確認(rèn)。雖然 LIGO 方面對(duì)消息嚴(yán)防死守，但科學(xué)家與媒體對(duì)此事充滿了希望。隨著 LIGO 探測(cè)器的靈敏度不斷提升，只要 LISA Pathfinder 進(jìn)入第一拉格朗日點(diǎn)，引力波的探測(cè)工作就會(huì)順利很多。在接下來(lái)的幾周或者幾個(gè)月內(nèi)，我們或許就能從物理學(xué)家們那里得到正式的消息。

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