在過(guò)去的十年中，一個(gè)新的天文學(xué)分支正悄然地進(jìn)行著：引力波天文學(xué)。它與其他天文觀測(cè)非常不同，它并不是用天文望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)這個(gè)宇宙，一個(gè)引力波探測(cè)器發(fā)射一束激光，并向互相垂直的兩臂傳播再反射回來(lái)，當(dāng)激光返回相遇時(shí)，我們會(huì)得到干涉圖形。這樣的一個(gè)裝置叫做激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO），并在2002 - 2010年運(yùn)行。之后關(guān)閉了五年進(jìn)行升級(jí)，直到2015年9月重新開(kāi)啟運(yùn)作。

1916年，愛(ài)因斯坦在發(fā)表廣義相對(duì)論后不久便發(fā)表了以上這篇論文預(yù)言了引力波的存在。

愛(ài)因斯坦在1916年發(fā)表了一篇論文，并預(yù)言了引力波的存在，這是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論唯一未被驗(yàn)證的預(yù)言。然而，就在一百年后的今天，引力波被探測(cè)到了?。∥蚁胨先思胰绻?tīng)到來(lái)自華盛頓的這個(gè)消息，表情應(yīng)該是這樣的：

那么什么是引力波？為什么我們花費(fèi)了100年的時(shí)間的才得以探測(cè)到它？為什么全世界的物理學(xué)家?guī)缀醵紴檫@個(gè)消息瘋狂，它有多重要？

什么是引力波？

在愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論之前，人們對(duì)時(shí)間和空間的理解與現(xiàn)在的非常不同。其實(shí)它們并不是固定、不變的量，它們是相互依賴(lài)的，同時(shí)也依賴(lài)于在它們之中的物質(zhì)和能量，隨著時(shí)間的流逝而改變。

如果你在時(shí)空中放入一個(gè)單一的質(zhì)量，并靜止在時(shí)空之內(nèi)（或者讓它以恒定的速度運(yùn)行），那么時(shí)空并不改變。但是如果你不想事情這么無(wú)趣，你在時(shí)空內(nèi)另外放進(jìn)去一個(gè)質(zhì)量，那么兩個(gè)質(zhì)量會(huì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且會(huì)互相加速，那么時(shí)空的結(jié)構(gòu)就會(huì)被改變了。特別是，如果你有一個(gè)質(zhì)量較大的物體在引力場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)廣義相對(duì)論的性質(zhì)這就意味著該物體會(huì)加速，并且會(huì)發(fā)出一種全新的輻射：引力輻射。

我們的太陽(yáng)和地球是如何彎曲時(shí)空的，圖中的綠色格子代表了時(shí)空本身。廣義相對(duì)論描述了一個(gè)大質(zhì)量物體如何彎曲時(shí)空，彎曲的時(shí)空告訴地球如何運(yùn)動(dòng)。愛(ài)因斯坦的理論也預(yù)言了引力波的存在。

引力輻射跟其它的輻射非常不同，它以光速在空間中傳播，但是它自己其實(shí)是時(shí)空結(jié)構(gòu)的漣漪。它從加速的物體攜帶走能量，這就意味著如果兩個(gè)質(zhì)量互相作圓周軌道運(yùn)動(dòng)，軌道就會(huì)隨著時(shí)間衰變。舉個(gè)例子，像太陽(yáng)和地球這樣的系統(tǒng)，由于兩個(gè)天體的質(zhì)量（相對(duì)地）非常小，以及它們之間的距離較遠(yuǎn)，這大概需要10的150次方年才會(huì)衰變，比宇宙的年齡還要大很多很多，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息，否則地球就會(huì)由于引力波攜帶走能量而與太陽(yáng)撞上。但是像黑洞或者中子星系統(tǒng)，情況就非常不一樣了，它們之間的軌道衰變?cè)缇捅挥^測(cè)到了。

一個(gè)脈沖星圍繞著它們伴星，引力波引起的時(shí)空漣漪。（圖片來(lái)源：ESO/L.Calcada）

在1974年的時(shí)候，美國(guó)物理學(xué)家泰勒和赫爾斯發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)中子星組成的互相旋繞的雙星系統(tǒng)。其中一顆是脈沖星，利用它精確的周期性脈沖信號(hào)，他們計(jì)算出了該雙星系統(tǒng)繞其質(zhì)心公轉(zhuǎn)時(shí)它們的軌道半長(zhǎng)軸以及周期。由于引力波會(huì)帶走能量，所以軌道半徑和周期也會(huì)變短，理論和觀測(cè)精確的符合了，從而間接地證實(shí)了引力波的存在。但問(wèn)題是，我們從來(lái)沒(méi)有直接地探測(cè)到引力波?？茖W(xué)家相信在宇宙中還存在著更強(qiáng)的系統(tǒng)，比如兩個(gè)黑洞互相公轉(zhuǎn)最后合并在一起，而黑洞間的合并信號(hào)便是引力波的產(chǎn)生，LIGO的升級(jí)就是為了尋找這樣的信號(hào)。

在多年的努力下，LIGO團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家終于找到了這樣的信號(hào)?。?！基于觀測(cè)到的信號(hào)，科學(xué)家估計(jì)這兩個(gè)黑洞分別為36和29太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，最終合并為62太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞并輻射出引力波，這樣一個(gè)事件發(fā)生在13億年前，并在2015年9月被LIGO探測(cè)到。在兩個(gè)黑洞合并的時(shí)候，大約3倍的太陽(yáng)質(zhì)量在1秒內(nèi)被轉(zhuǎn)換為引力波，輻射出的峰值功率是整個(gè)可觀測(cè)宇宙的電磁輻射強(qiáng)度的50倍！下面的視頻模擬兩個(gè)合并的黑洞并輻射出引力波。

LIGO的運(yùn)作原理

LIGO的實(shí)驗(yàn)裝置。

LIGO會(huì)發(fā)射兩束激光往互相垂直長(zhǎng)度為4公里的長(zhǎng)臂，兩束激光會(huì)不斷地來(lái)回反射200次來(lái)增加路徑長(zhǎng)度，最終回到分束器并產(chǎn)生干涉圖案。在正常的情況下（也就是沒(méi)有引力波的通過(guò)），兩束激光的路徑長(zhǎng)度一樣，干涉圖案看起來(lái)并沒(méi)有什么異常。但是，一旦引力波通過(guò)，干涉圖案就會(huì)發(fā)生變化，從這樣微小的變化就可以推導(dǎo)出產(chǎn)生引力波系統(tǒng)的兩個(gè)質(zhì)量，它們之間的距離以及離我們有多遠(yuǎn)。（文末的視頻會(huì)幫助你更好的了解LIGO的運(yùn)作原理。）

LIGO在全世界各地都建立了探測(cè)器。但是此次主要在運(yùn)作的是位于美國(guó)華盛頓Hanford和路易斯安那州Livingston的探測(cè)器。

如果兩個(gè)探測(cè)器看到了同樣的變化，就表示我們就探測(cè)到了引力波！Livingston記錄該事件比Hanford早7毫秒。下面這個(gè)圖顯示了兩個(gè)探測(cè)器觀測(cè)到了幾乎一樣的引力波信號(hào)。

從圖中我們可以看出，Hanford（上）和Livingston（中）接收到的信號(hào)和廣義相對(duì)論預(yù)言的波形符合的相當(dāng)好。圖中的Y軸表示應(yīng)變，用符合‘h’表示，其物理意義是引力波引起的時(shí)空畸變和平直時(shí)空的度規(guī)之比。X軸則代表了時(shí)間。圖中的（下）比較了兩個(gè)探測(cè)器的結(jié)果，我們可以確定它們探測(cè)到的是同一個(gè)事件。

看到這樣的結(jié)果，LIGO科學(xué)家的反應(yīng)應(yīng)該都是：WOW！?。∥覀儾粌H看到了來(lái)自?xún)蓚€(gè)合并黑洞的引力波，同時(shí)我們也聽(tīng)到了引力波的聲音！呵呵，有點(diǎn)不可思議吧。點(diǎn)開(kāi)下面的視頻，你就能清晰的聽(tīng)到引力波的聲音了！

聽(tīng)到了兩次來(lái)自黑洞合的聲音了嗎？這樣的聲波頻率跟我們探測(cè)到的引力波頻率完全一樣。當(dāng)兩個(gè)黑洞旋轉(zhuǎn)靠近的時(shí)候，引力波的頻率就會(huì)增加?？茖W(xué)家稱(chēng)這樣的聲音為“啾啾”，因?yàn)橐恍┦录a(chǎn)生的引力波聽(tīng)起來(lái)就像是鳥(niǎo)兒的啾啾聲。

引力波的頻率和強(qiáng)度區(qū)域幾項(xiàng)因素：它們是從哪里來(lái)的，它們的質(zhì)量，它們之間的距離以及離地球的距離。

為什么需要100年？

愛(ài)因斯坦在預(yù)言了引力波之后，他并不認(rèn)為我們可以探測(cè)到引力波，因?yàn)橐Σㄊ窃谑翘⑷趿?。多微弱？上面我們提到過(guò)了引力波的強(qiáng)度h，它定義為
公式中的M代表黑洞的質(zhì)量，r代表距離，如果我們把數(shù)字帶進(jìn)去就會(huì)得到一個(gè)極小的應(yīng)變，10的負(fù)21次方。盡管在黑洞合并時(shí)釋放出的引力波強(qiáng)度是如此之大，但是經(jīng)過(guò)13億年的傳播，其強(qiáng)度變得微乎其微。

我們知道如果引力波傳播通過(guò)地球，就會(huì)造成空間拉升和擠壓（在下面視頻中可以清晰的看到引力波如何影響地球周?chē)臅r(shí)空，當(dāng)然視頻比較夸張是為了更清楚的呈現(xiàn)這樣一種效應(yīng)）。而如此之小的應(yīng)變就意味著當(dāng)引力波通過(guò)LIGO探測(cè)器的時(shí)候，造成探測(cè)器臂的變化為質(zhì)子直徑的千分之一。這樣的一種變化是極度小的，探測(cè)器需要非常靈敏才可能探測(cè)到這樣微小的變化。在下面視頻的2：15秒開(kāi)始，你就可以清楚的知道這樣的變化有多么的微不足道。

1916年愛(ài)因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，并在理論上預(yù)言了引力波的存在。100年后的今天，廣義相對(duì)論再一次得到驗(yàn)證，這是引力波的第一次直接證據(jù)。

為什么發(fā)現(xiàn)引力波如此重要？它證明了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論相對(duì)論是正確的，引力輻射是真實(shí)存在的。合并的黑洞不僅產(chǎn)生引力波，并且可以被探測(cè)到。此次發(fā)現(xiàn)的重要性堪比伽利略第一次用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了夜空，至此天文學(xué)開(kāi)始了一個(gè)全新的時(shí)代，在不依賴(lài)天文望遠(yuǎn)鏡的情況下，我們可以觀測(cè)黑洞，中子星，以及宇宙中另外一些不可見(jiàn)的物體。人類(lèi)首次以一個(gè)全新的視角去探索宇宙。這是一次偉大的勝利！感謝那些日以繼夜工作的科學(xué)家！