引力波：爱因斯坦又对了

冉浩

牛顿声称因为被苹果砸到，所以发现了万有引力。但引力到底是个什么东西呢？牛顿也不知道。它看不清，摸不着。直到前不久，我们才真正观察到了引力——美国的一个科研项目首次确认了引力波的存在！但这听起来有点高冷的引力波到底是什么呢？

爱因斯坦的猜测

20世纪上半叶是物理学群星璀璨的时代，爱因斯坦更是其中的杰出代表。他彻底颠覆了人类的时空观——在高速运动的世界里，光速不可超越，时间与空间也并不绝对，而是相对的；在物体接近光速运动时，质量会无限加大，而内部的时间会比外部减慢……这个理论被称为狭义相对论，让当时一群自诩为聪明的大脑目瞪口呆。然而，爱因斯坦并没有止步，他不仅提出了能量和质量的转化公式，奠定了核能的物理基础，还进一步抛出了一个猜想——广义相对论。

在广义相对论中，爱因斯坦将引力解释为时空的几何属性，说明白点，就是大质量的物质会引起时空的扭曲。我们也可以打个比方，比如现在我们面前有一张蹦床，然后，我们放一块大石头上去，假设床没蹋，会怎样？你会看到蹦床放石头的那一块凹下去了——时空扭曲了。如果这时我们再放一个玻璃球在蹦床上呢？因为中间凹了一块，小球就会朝凹的那里滚动，也就是冲向石头，小球越滚越快，然后，嘣！撞上石头，碎了。一次小行星撞击地球的事件，也许就是这么发生的。

如果要想不撞上，小球就必须具有一定的速度。当速度达到一定程度时，小球就会围绕着凹陷的边缘旋转——这就是卫星。当然，如果小球再快一些，它就能从坑里冲出去，然后击中围观的某个人，这就是脱离了引力场。如果是两个质量差不多的天体，或者说，两块大石头在蹦床上互相围绕滚动呢？如果蹦床的老板还没有破口大骂，我们会看到什么呢？蹦床表面应该会震动，或者说以它们为中心在产生波纹，最后两块大石头会越来越近，最后，砰！撞在一起，运动停止，大量的能量释放出来。然后，以撞击点为中心，蹦床表面开始上下剧烈抖动——更强大的波动产生了。这些震动和波动，都是引力波。问题是，爱因斯坦的理论对吗？我们能够检测到引力波吗？

能不能找到它？

尽管在当时看来，爱因斯坦的很多理论惊世骇俗，甚至诺贝尔颁奖委员会在给他颁奖时也只提了他的光电效应，但是他的相对论却在后世被一一印证。那这位跨时代的科学巨匠所预言的引力波，会被找到吗？

老实说，这真的有点难。

首先，引力波的传播速度很快，与光速相同，没有任何速度能够超过它；其次，我们无法感知到引力波的扩散——不管你的时空被轻微拉长或者压扁，你都不会有任何感觉，已有的物理仪器也一样。当然，这也带来了一个好处，那就是，引力波在宇宙中的传播几乎不会衰减，即使空间的扰动源离我们很远，它经过亿万年后，依然能够传播到我们这里。唯一能够跟上引力波的步伐，探测到它的，可能也只有光了。科学家决定用波长恒定的激光来探测引力波，或者说，用它来探测可能产生的时空扭曲。

为此，科学家启动了LIGO项目，他们设计了两条垂直的光路进行干涉，如果空间没有扭曲，接收器就不会接收到激光，反之，激光就会照在接收器上。

不过，这个仪器要多灵敏呢？它必须能够检测出10～21米这么小的距离变化，或者说，只相当于质子直径的千分之一！

其结果就是，如此精密的设备极容易受到干扰——周围的地质活动会影响它，车辆行驶会影响它……这好比是一个守财奴在喧嚣的集市里专心地听哪位仁兄会掉一个钢镚儿，然后赶紧冲过去踩住它。为此，项目组想到了一个绝妙的方案，他们在距离遥远的地方分别设置了探测仪器，这样，小范围的扰动就不可能同时干扰到两台仪器，而具有宇宙尺度的引力波显然会同时作用到两台仪器上，于是，两组仪器同时产生响应才算有效。之后，科学家还要对数据进行确认和排除。后来，意大利的VIRGO引力波探测器也加入了联合探测，三地联合测量，使结果更加准确。此外，LIGO又升级了一次，变成了aLIGO。万事俱备，只欠东风。

来自黑洞的礼物

尽管小心谨慎，还闹了一次乌龙。2010年9月，LIGO项目探测到了大概来自大犬座方向的引力波，整个项目组欢腾起来，甚至论文都写好了，然后有人站出来说，他们对此事件负责……事实上，为了确保项目探测结果的准确性，还有一方人马专门在背地里制造人为干扰，而负责探测的科学家却并不知情。在这样的短兵交锋中，“红方”在“蓝方”的压迫下升级技术，完善理论，一点一点提升可靠度。所有这一切，都为了小心谨慎，以便在真正的探测到引力波时，既不会错失机遇，又具有足够的说服力。

2015年9月14日，LIGO项目终于探测到了引力波！

经调查，这应该是两个大质量的黑洞在相互绕行后碰撞在一起造成的。强烈的撞击释放了巨大的能量，造成了时空的剧烈震荡，然后，经过10亿年的漫长旅行，其产生的引力波终于传到了地球，并被守株待兔的科学家所截获。

之后，科学家又花了几个月的时间来确认其可靠性，终于在2016年年初得到了肯定的结果。自此，爱因斯坦的广义相对论得到了一个强有力的实验支持，这位伟大的物理学家又对了！

而这也为我们打开了一个新的纪元——我们获得了一种新的观测手段，将能够通过引力波来察看宇宙，获知天体演化，甚至探求那些余波，追溯到宇宙起源之初，从而更好地理解宇宙。长久以来，人类渴望在知识上超越时空，而现在，我们又向前迈出了一步。