引力波，打開太空科學的新一步

在過去的近10年時間裡，儘管圈子非常小，但一個全新的天文學領域的確正逐漸出現，那就是引力波天文學。和傳統天文學使用天文望遠鏡對宇宙進行觀測不同，引力波探測器使用的是鐳射和反射器，研究人員會讓鐳射在兩塊呈直角方位的反射鏡之間來回，並觀察兩束光波疊加時所呈現的干涉條紋特徵。這正是位於美國的“鐳射干涉引力波天文臺”（LIGO）所採用的做法。在2002年至2010年之間的運行時期，LIGO設施驗證了其設計概念的可行性，隨後經歷了長達5年的關閉升級。直到2015年9月份，升級後的該設施被重新啟用並被稱作“先進LIGO”。而就在今天晚上，北京時間2月11日23：30許，先進LIGO合作組即將對外發佈他們的首個重要科學成果。對此，外界普遍的猜測是：他們將要宣佈首次直接探測到引力波信號的消息。如果這個消息最終結果被證實，這將意味著什麼？

當愛因斯坦最早提出他的廣義相對論的時候，他徹底革新了我們原先對於時間與空間的概念理解。我們此前一直認為空間是恒定而不變的，物質和能量存在於其中。但愛因斯坦的理論指出空間實際上與能量和品質之間都是相互聯繫的，並且隨著時間推移空間也在發生變化。如果只存在一個品質物體，靜止地存在于時空之中（或者處於勻速運動狀態），那麼它所處的時空不會發生變化。但如果你加入第二個品質物體，那麼這兩個物體之間就會發生相互運動，互相會向對方施加一個加速度，在這一過程中也就將造成時空結構的改變。更加重要的是，由於存在一個大品質粒子在引力場中運動，廣義相對論指出這一大品質物體將會被加速，並釋放一種特殊的輻射：引力輻射。

這種引力輻射與你所知的其他任何種類的輻射都不同。它會以光速穿越空間，但它本身又是空間中的漣漪。它從被加速的物體帶走能量，這就意味著，如果這兩個品質物體處於相互運行的軌道之中，那麼隨著時間推移這個軌道將會逐漸收縮，這兩個品質物體之間的距離將逐漸縮短。不過不要太過擔心，對於像地球圍繞太陽運行這樣一個系統，相對而言這兩個天體的品質還太小，而兩者之間的距離又非常巨大，因此在引力波耗散能量的條件下，這個軌道也將需要經過10的150次方年才會衰減崩潰，如此長的時間早已遠遠超過了宇宙的年齡，事實上這也遠遠超過了已知所有恒星的壽命！然而對於相互繞轉的黑洞或中子星而言，它們之間存在的軌道衰減效應則已經被觀測到了。

科學家們認為宇宙中可能還存在著我們尚未探測到的更高能的事件，如黑洞的相互合併。這類事件應該會產生某種特徵信號，而這樣的信號是可以被“先進LIGO”系統捕捉到的。

從本質上而言，“先進LIGO”系統採用的探測手法是相當簡單而直接的，它利用了引力波輻射的本性和它最重要的性質之一。引力波會造成空間的拉伸或壓縮，其頻率和強度取決於形成這種引力波的天文事件所具有的一系列特徵，如兩個相互繞轉天體各自的品質大小、它們兩者之間的間距以及這一系統距離地球的遠近。“先進LIGO”設施包括兩條互相垂直的長臂，長度均為4公里。將一束鐳射用分光鏡分成夾角為90度的兩束，然後兩束鐳射分別被4公里外的反射鏡反射回來並發生干涉，並且這樣的反射可以來回進行多次，從而大大增加鐳射運行的路徑長度。由於頻率和波長完全一致，在正常情況下，這兩束鐳射應該是完全相同的，但是如果存在引力波作用，則會對這兩束鐳射的波長頻率產生影響，從而導致兩束鐳射在疊加的干涉條紋上出現改變。這樣的改變將能夠讓科學家們判斷兩個繞轉天體各自的品質大小、它們之間的間距以及這一系統到地球之間的距離等豐富的資訊。

先進LIGO包括兩處設施，分別位於美國西北部（華盛頓州）以及美國東南部（路易斯安那州）。如果這兩處設施均觀測到同樣的信號，那麼我們幾乎就能夠肯定我們的確是觀測到了引力波信號了。目前版本的LIGO系統對於品質在1倍太陽品質到數百倍太陽之間之間的兩個黑洞合併過程可能產生的引力波信號最為敏感，且其探測能力可以覆蓋距離地球數百萬光年之外——在這樣一個巨大的空間範圍內，符合條件的黑洞合併事件每年都會至少發生幾次。

如果今晚LIGO合作組真的如外界所傳言的那樣，正式宣佈探測到引力波信號的消息，那麼這一消息所承載的意義將遠遠超出其本身——這將是對愛因斯坦廣義相對論的全新檢驗，也是人類歷史上對引力輻射首次成功的直接探測。“先進LIGO”是有史以來人類建造的最先進的引力波觀測設施，因此也是最有希望能夠窺見真實引力波信號的地方。該項目有超過1000名頂尖科學家參與其中，因而也使其成為規模最為龐大的引力波搜尋國際合作研究項目。如果所有科學目標都能夠如預期中的那樣達成，那麼就在今晚，我們將一起見證一個全新天文學時代的開端。

儘管這次的消息最早是由一位元項目組之外的科學家勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）最先披露的，因而也引發了外界的廣泛批評——因為這樣的消息理應是由當事方，也就是LIGO項目合作組來負責對外發佈的。但不管如何，就在今晚，如果引力波被首次直接探測到的消息能夠得到證實，那麼這些都將顯得不再那麼重要，因為我們將會因此受益良多：我們將會再次確認愛因斯坦是對的，引力輻射是真實存在的，並且黑洞的合併過程的確會產生這樣的引力輻射，而更重要的是，這樣的引力輻射信號是可以被 從地球上探測到的。這將是一個全新的天文學領域，一個不需要望遠鏡的新的天文學領域，它將引領我們打開理解黑洞、中子星和其他難以採用傳統方法進行觀測的天體類型的全新視野。

1、 什麼是引力波？

1915年，愛因斯坦的廣義相對論提出之後，這個描述“時空和物質”理論在很多地方受到實驗檢驗。人們在確鑿的實驗證據下，一次又一次的被這個偉大理論的深刻與正確而震驚。這好比是這樣一種感受：“啊~你們說這個世界和這個宇宙這這樣的那樣的，太不可思議了吧！和我體會到的感覺完全不一樣啊！你們肯定瞎扯，我根本不信！”然後廣義相對論在各個方面被實驗證實，人們的感受慢慢地開始改變，慢慢接受這個事實：我們這個世界和我們本來認為的不一樣。人們也漸漸體會到原來這個世界比我們本來以為的地深刻的多。

感興趣的同學可以看下面這個，廣義相對論的驗證：廣義相對論的實驗驗證

廣義相對論的正確性已經毋庸置疑，但是，作為廣義相對論的一個重要預言——引力波，卻遲遲沒有發現。把廣義相對論作為人類科學聖經的科學家們上火了，他們堅信，引力波是一定存在的，為了探測到這個引力波，幾代科學家們做出了很多嘗試和努力（這個具體我們後面章節再說）。那麼這個神秘的引力波，到底是啥玩意呢？

用最簡單的一句話來描述，引力波是“時空的漣漪”。聽起來好玄乎啊，什麼是“時空的漣漪”？容我慢慢道來：

相信有不少同學對廣義相對論不是很瞭解。來，不慌~這裡你花幾分鐘就可以“學會”廣義相對論，然後有了理論的武裝，你就可以輕鬆理解本文裡的很多事情啦。

要理解廣義相對論，你只需要知道兩句話，第一句相信大家都聽說過：

1、空間三維+時間一維，這樣時空就是四維。時空就是時間加空間，是一個整體。

比如：你就處在一個時空裡。因為，此時此刻（時間），你一定在某個地方（空間）讀這句話。

同樣，人們的宇宙也是時間加空間，所以宇宙就是四維時空。

第二句話就厲害了啊！大家看到後就知道廣義相對論講得是什麼了！

2、時空告訴物質如何運動； 物質告訴時空如何彎曲

spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve

恩，很簡單吧，廣義相對論就是具體說了時空是告訴物質怎麼運動，以及，物質是讓時空怎麼彎曲的這麼一個理論。這樣也隱含了這麼個意思：物質（有品質的東西，可能是能量，因為能量也有品質）如何在它的時空裡運動，取決於它所處的時空性質。另一方面，只要有物質存在的時空，就會彎曲。彎曲程度、怎麼彎曲，取決於它肚子裡的物質品質大小以及分佈。

根據知乎、參考網等綜合採編

【文章觀點僅代表個人觀點】