关于引力波的那点事儿

美国当地时间2月11日上午10点30分，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布：人类首次直接探测到了引力波（Gravitational waves）！

引力波是什么

引力波的实质是空间弯曲的动态传播。一个静止的天体只能造成空间的静态弯曲，正如静止的电子只能产生静电场。当两个天体互相绕转的时候，它们的引力对某一特定空间的扭曲是随时间变化的。就好像有人在水池中央搅动水面，水面的变化会以波动的形式传向四方。类似的，相互绕转天体造成的空间变化也会向各个方向传播开来。这种由引力场变化造成的空间波动就是引力波。

引力波存在的证据是这样被发现的

引力波是爱因斯坦相对论理论的重要预言。但在相对论提出后的100年间，引力波都没有被直接探测到。

1974年，美国麻省大学阿莫斯特分校的教授泰勒和他的学生罗素利用位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜第一次发现了一对互相绕转的脉冲星。在经过了长达30年的监视后，泰勒发现这两个双星的距离竟然在逐渐缩短。为什么？泰勒想到了引力波。就好像电磁波会携带电磁能，引力波也携带着能量。绕转的双星不断的发射引力波，会使得它们自己的引力势能减少，从而越靠越近。泰勒观测到的双星距离缩短速率精确的和广义相对论预言符合（精度好于1%），泰勒和罗素的发现被认为是引力波存在的重要证据，他们因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

LIGO计划是怎样探测引力波的？

引力波本质上是空间的形变在传播。如果引力波传到地球，我们会在一个方向上被拉伸，在另一个方向上被挤压。LIGO计划就是要测量这种效应。LIGO有两条长臂，相互垂直。每条臂长达4公里。LIGO的长臂实际上是高度真空的长管。在每条长臂的两段悬挂着直径34厘米的反射镜，LIGO探测器利用激光干涉，不间断地测量每对反射镜之间的距离。

LIGO探测器一共建成了两座，分别位于美国的华盛顿州和路易斯安那州，两地相距3000公里。引力波以光速传播，因此如果一束可探测的引力波扫过地球，两座LIGO探测器探测到信号的时间将有10毫秒量级的时间差。精确测量这个时间差可以帮助研究者确定引力波发出的方向。

2002年，LIGO建成并开始运行，在其后的的10年间，LIGO没有探测到一起确定的引力波事件。一些科学家们相信引力波信号已经存在于观测数据中，只是研究者尚无力将其从噪声中分离。

2015年9月开始，LIGO的升级版本Advanced LIGO开始运行，并于2016年1月结束了第一阶段的运行。Advanced LIGO的探测灵敏度超过LIGO十倍。LIGO的最初设计是希望探测到室女星系团内（也就是银河系所在的星系团，大约5000万光年内）的双中子星。而Advanced LIGO有能力观测到10亿光年内的双中子星引力波。如果引力源是即将合并的双黑洞，Advanced LIGO的探测范围可以达到50亿光年。升级版的LIGO可探测事例的几率超过LIGO最初版3000倍。在最乐观的估计下，每天Advanced LIGO可以看到三个事例，所以在Advanced LIGO运行的第一期就发现引力波，实属意料之中。

为什么引力波探测非常重要？

因为这将大大加强我们对于引力的理解。不同于其他三种力可以在实验室中进行研究。引力的研究非常困难。在我们日常接触的大多数领域，广义相对论效应并不明显。我们至今只能通过天体运动，光线弯折等有限的方法研究引力。而这些方法仍然只能探测较弱的引力场，远远触及不到黑洞视界附近最为扭曲的空间。而引力波探测将打开一扇新的窗子，帮助人们了解空间最扭曲部分的动态变化——这种动态过程被基普·索恩称作几何动力学过程——使人们以前所未有的精度理解广义相对论（或者证伪它）。