引力波

2016年2月11日，农历正月初五，正当中国人还在欢欢喜喜过大年时，太平洋彼岸传来一个重磅级消息——美国国家科学基金会在华盛顿特区的国家媒体中心宣布：人类首次直接探测到了引力波！一瞬间，“引力波”作为一个陌生而又新鲜的词汇，登上了全球各大媒体的头条。

作为普通大众，我们在被社交媒体上的“引力波”刷屏的同时，很少有人知道，引力波到底是什么，为什么耗费巨资才能探测到它？引力波又能给我们带来什么呢？下面，就让本极客带大伙去了解一下。

它是怎么来的

我们都听说过爱因斯坦的广义相对论，但很少有人去了解这个理论的内容。对我们而言，它实在高深莫测，无法理解，比如它对引力的定义。

在爱因斯坦看来，引力是时空的弯曲造成的。

“时空弯曲是啥意思？”相信大多数人在听到这个说法的时候，都有这样的疑问。从字面上理解，我们平时看到的时空貌似是正常的，但真实情况是，它是一个扭曲的世界。这种扭曲是物质造成的，物体的质量越大，扭曲程度就越大。

举个例子：我们把宇宙想象成一个床垫，如果没有任何干扰，它是平坦的。当有质量的物体出现时，比如在上面放一本《少年博览》，或者让一个孩子站在上面，床垫表面就发生了弯曲。物体越重，床垫的表面就弯曲得越厉害。这个现象告诉我们，具有一定质量的物体，周围空间会如蹦床一样发生弯曲。因此，太阳、地球、月球等星体的周围都存在着时空弯曲的现象。

这就是广义相对论所要阐述的原理。

不过，这种弯曲对于生活在蹦床上的微小生物而言，比如我们人类，是微不足道的。因为我们跟着床垫一起弯曲了，而且这种弯曲程度太微小，人类无法感知。但如果床垫上的物体发生了变化——《少年博览》被拿走了，或者孩子不停地蹦跳——床垫就会产生震动，并像涟漪一样传播开，这种震动引发的涟漪就是引力波。

大“圆规”丈量宇宙

如果你看懂了上面的文字，就会知道引力波是无处不在的，因为宇宙中的物体处在不断运动中，只不过我们感觉不到罢了。

在普通人看来，了解引力波没有多大意义，顶多是学习了一个新名词，但科学家不这么想。他们需要发现和找到这种震动，来证明自己确实读懂了宇宙。他们还希望通过对引力波的研究，把宇宙的前世今生了解得更加清楚、更加透彻。

引力波的能量通常都很低，如地球围绕太阳运行时，发出的引力波功率仅为200瓦。在宇宙中，只有大质量天体的加速、碰撞和合并才会形成强大的引力波。但由于波源距离我们遥远，引力波传播到地球时，已经变得非常微弱，只有用超高灵敏度的仪器才能进行探测。

于是，科学家们在地球上建了一大堆探测器，其中，就包括这次发现引力波的LIGO。LIGO是“激光干涉引力波天文台”的英文缩写，由美国麻省理工学院与加州理工学院在1991年联合建造。美国国家科学基金会为该项目投入了大笔资金，据说到目前为止，已耗费了几十亿美元。LIGO建成后，从高空俯瞰，就好像放在地面上的一个大圆规。一开始，它并没有什么作为，经过数次耗资不菲的改造后，LIGO才终于带来了好消息。这次观测到引力波，应该归功于LIGO设在美国东西海岸的两个引力波探测器。

LIGO如何抓住引力波

LIGO的主要部分是两根互相垂直的不锈钢真空管道，每根管道长4000米，直径1.2米，终端设有反射镜。在“圆规”两根管道的交汇处，设有激光发射器，同时向管道内部发射激光束。激光束被管道终端的镜面反射后，回到出发点，然后再反射到终端镜面。

就这样，激光束在真空管中来回反射，如果有引力波通过，便会引起时空变形，两根管道内激光返回的时间就存在细微差别，从而被仪器记录下来。

如果你对上面的原理不太理解，那让我们打个比方吧。在两条长度一样的跑道（真空管道）上，各有一位运动员（激光束）在往返跑。通常情况下，他们的跑步速度是一样的。但是，如果跑道因为引力波的扰动，长度发生了变化，他们跑回来的时间就有了一丁点儿差别。于是我们就知道，空间确实在震动。

然而，要抓住震动并不容易。首先，这种震动太小了，也许4000米只会发生0.000000000000000001米的变化。虽然“圆规”腿已经很长了，也只能让我们勉强感觉到两位运动员，也就是激光束回来的差异。其次，我们不能让诸如跺脚、打喷嚏或是地震影响到观测，所以要用各种设备让这两根管道保持稳定。

为了减少不确定性的误差，科学家在华盛顿州利文斯顿和新泽西州汉福德同时建造了两个完全相同的探测器，彼此相距3000千米。只有当两个探测器同时检测到相同的信号，才有可能是引力波。

至少在出现震动时，我们能判断出，这不是科研人员绝望情况下掀桌子引起的。

引力波能带来什么

如果爱因斯坦知道引力波被发现了，一定会高兴地蹦起来，因为这证明了他的脑瓜比其他人聪明。他想出来的东西，人们花了大把钞票，辛苦了数十年，总算看到了。这轻轻的一震，比《美人鱼》《星球大战》乃至人类史上所有的电影加起来都要好看，因为它蕴含的剧情里，有宇宙诞生的画面。

我们从小就被告知了一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着，在时空之初，这个大床垫有一次最剧烈的震动，而引力波能让我们还原这个震动——它是否存在，有多大规模？

除此之外，引力波还能让我们知道宇宙空间在发生什么。据科学家说，这次的引力波就是在我们看不到的超远距离上，两个大黑洞合并引发的——这两个黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳，它们合并成了一个有62倍太阳质量，且高速旋转的黑洞，并把强大的引力波释放到宇宙空间，经过13亿年的漫长旅行，终于抵达了地球。

可以假设，若在很远的星系，一个文明被毁灭了，我们就能通过引力波第一时间知道。也就是说，引力波能为我们揭开宇宙里的很多秘密，这就是科学家对它如此感兴趣的原因。