關(guān)于引力波的那點(diǎn)事兒

美國當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月11日上午10點(diǎn)30分，美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院教授David Reitze宣布：人類首次直接探測到了引力波（Gravitational waves）！

引力波是什么

引力波的實(shí)質(zhì)是空間彎曲的動(dòng)態(tài)傳播。一個(gè)靜止的天體只能造成空間的靜態(tài)彎曲，正如靜止的電子只能產(chǎn)生靜電場。當(dāng)兩個(gè)天體互相繞轉(zhuǎn)的時(shí)候，它們的引力對某一特定空間的扭曲是隨時(shí)間變化的。就好像有人在水池中央攪動(dòng)水面，水面的變化會(huì)以波動(dòng)的形式傳向四方。類似的，相互繞轉(zhuǎn)天體造成的空間變化也會(huì)向各個(gè)方向傳播開來。這種由引力場變化造成的空間波動(dòng)就是引力波。

引力波存在的證據(jù)是這樣被發(fā)現(xiàn)的

引力波是愛因斯坦相對論理論的重要預(yù)言。但在相對論提出后的100年間，引力波都沒有被直接探測到。

1974年，美國麻省大學(xué)阿莫斯特分校的教授泰勒和他的學(xué)生羅素利用位于波多黎各的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡第一次發(fā)現(xiàn)了一對互相繞轉(zhuǎn)的脈沖星。在經(jīng)過了長達(dá)30年的監(jiān)視后，泰勒發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)雙星的距離竟然在逐漸縮短。為什么？泰勒想到了引力波。就好像電磁波會(huì)攜帶電磁能，引力波也攜帶著能量。繞轉(zhuǎn)的雙星不斷的發(fā)射引力波，會(huì)使得它們自己的引力勢能減少，從而越靠越近。泰勒觀測到的雙星距離縮短速率精確的和廣義相對論預(yù)言符合（精度好于1%），泰勒和羅素的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是引力波存在的重要證據(jù)，他們因此獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

LIGO計(jì)劃是怎樣探測引力波的？

引力波本質(zhì)上是空間的形變在傳播。如果引力波傳到地球，我們會(huì)在一個(gè)方向上被拉伸，在另一個(gè)方向上被擠壓。LIGO計(jì)劃就是要測量這種效應(yīng)。LIGO有兩條長臂，相互垂直。每條臂長達(dá)4公里。LIGO的長臂實(shí)際上是高度真空的長管。在每條長臂的兩段懸掛著直徑34厘米的反射鏡，LIGO探測器利用激光干涉，不間斷地測量每對反射鏡之間的距離。

LIGO探測器一共建成了兩座，分別位于美國的華盛頓州和路易斯安那州，兩地相距3000公里。引力波以光速傳播，因此如果一束可探測的引力波掃過地球，兩座LIGO探測器探測到信號(hào)的時(shí)間將有10毫秒量級(jí)的時(shí)間差。精確測量這個(gè)時(shí)間差可以幫助研究者確定引力波發(fā)出的方向。

2002年，LIGO建成并開始運(yùn)行，在其后的的10年間，LIGO沒有探測到一起確定的引力波事件。一些科學(xué)家們相信引力波信號(hào)已經(jīng)存在于觀測數(shù)據(jù)中，只是研究者尚無力將其從噪聲中分離。

2015年9月開始，LIGO的升級(jí)版本Advanced LIGO開始運(yùn)行，并于2016年1月結(jié)束了第一階段的運(yùn)行。Advanced LIGO的探測靈敏度超過LIGO十倍。LIGO的最初設(shè)計(jì)是希望探測到室女星系團(tuán)內(nèi)（也就是銀河系所在的星系團(tuán)，大約5000萬光年內(nèi)）的雙中子星。而Advanced LIGO有能力觀測到10億光年內(nèi)的雙中子星引力波。如果引力源是即將合并的雙黑洞，Advanced LIGO的探測范圍可以達(dá)到50億光年。升級(jí)版的LIGO可探測事例的幾率超過LIGO最初版3000倍。在最樂觀的估計(jì)下，每天Advanced LIGO可以看到三個(gè)事例，所以在Advanced LIGO運(yùn)行的第一期就發(fā)現(xiàn)引力波，實(shí)屬意料之中。

為什么引力波探測非常重要？

因?yàn)檫@將大大加強(qiáng)我們對于引力的理解。不同于其他三種力可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行研究。引力的研究非常困難。在我們?nèi)粘＝佑|的大多數(shù)領(lǐng)域，廣義相對論效應(yīng)并不明顯。我們至今只能通過天體運(yùn)動(dòng)，光線彎折等有限的方法研究引力。而這些方法仍然只能探測較弱的引力場，遠(yuǎn)遠(yuǎn)觸及不到黑洞視界附近最為扭曲的空間。而引力波探測將打開一扇新的窗子，幫助人們了解空間最扭曲部分的動(dòng)態(tài)變化——這種動(dòng)態(tài)過程被基普·索恩稱作幾何動(dòng)力學(xué)過程——使人們以前所未有的精度理解廣義相對論（或者證偽它）。