[科普中国]-引力波探测几十年上下求索

近日，《新科学家》杂志官网率先发布独家报道称，全球首次探测到引力波的美国激光干涉引力波天文台（LIGO），可能探测到另一种此前未被观察到过的新型引力波，即距地球1.3亿光年的长蛇座内NGC4993星系的两颗中子星合并产生的可见光信号，哈勃等多个望远镜可能已经“捕捉”到这一事件。

中子星合并模拟图，白色代表磁力线（图片来自《自然》杂志官网）

对于“波”，我们并不陌生，生活中时常会听到无线电波、电磁波、声波、光波等等，引力波也是波的一种，那么引力波又是什么呢？

天外飘来引力波

既然称之为引力波，它必然与引力有关。所以，在更深一步了解引力波之前，我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。

17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果，意识物体之间普遍存在的一种力，称之为“引力”，并且将其数学化，这就是我们熟知的万有引力。

万有引力认识的精髓是物体质量的存在导致了引力，这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。

牛顿与万有引力（图片来自网络）

直到1905年狭义相对论发表，再到1915年广义相对论的发表，爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法，引力是因为质量对于时空造成了变形所导致，而非质量之间的吸引。

爱因斯坦与广义相对论（图片来自网络）

这就意味着，我们时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以引力波，简单来说，就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波（或者电磁波），它仅仅是在时空之中传播的，时空是它的媒介。

引力波探测：几十年上下求索

自从广义相对论预言引力波之后不久，人们便开始追寻引力波。到今天，已经度过了几十个春秋。发现引力波有什么意义呢？

首先，引力波探测证实了爱因斯坦以及合作者的预言，再一次验证了广义相对论。

其次，就像电磁波和放射性现象一样，**引力波是人类了解这个宇宙的新窗口。**引力波的发现标志着人类进入了一个新的时代，开创了人类了解世界的新方式。（1887年赫兹发现电磁波时，谁能想象130年后，电磁波已经走进每个家庭。1896年贝克勒尔发现放射线的时候，谁能想到现在每一家医院都能留下核物理的足迹。）

宇宙（图片来自网络）

再次，引力波可以提供宇宙发展演化的信息，有助于我们进一步了解宇宙（诸位还记得2014年BICEP卫星宣称发现了原初引力波吗？后来确定是来源于星际尘埃的干扰。原初引力波可以反映宇宙早期的性质）。

引力波为黑洞做名片

在引力的世界中，我们的宇宙通常是平静的。可是在北京时间2015年9月14日17点50分45秒，地球上的LIGO探测器却探测到了来自于宇宙深处距离地球13亿光年之外的一场引力风暴，来自于一个双黑洞系统的合并，以它的探测日期命名为 GW150914。

引力波第一次直接真正地验证了黑洞的存在。因为合并之时和之后，引力波的产生是黑洞视界面变化的效果，所以这直接验证了黑洞在宇宙当中的存在。

目前探测到的黑洞分布（图片来自美国astronomy杂志2014年10月期）

尽管引力波的探测和数据处理是非常的复杂，但是一旦引力波信号被合理的提取之后，通过一次的引力波探测，我们就可以知道有关黑洞的所有信息，质量和自旋。从这个意义上来讲，引力波将极大的加速我们对于黑洞的研究和认识。

为一窥宇宙初生

**毫无疑问，引力波是对广义相对论的一个最直接的验证。**引力波以光速传播，它与物质的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以给我们提供宇宙几乎无阻挡的图景，而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。

引力波音频（图片来自LIGO新闻发布会直播截图）

就如同一个天生的聋哑人，一直在听别人说声音的存在，突然有一天听力恢复了。引力波是一种方式，是一种看待世界的方式。历史的发现轨迹告诉我们，每一扇新的窗口被打开，都会有令人称奇的发现。

虽然LIGO的探测能力还是有限，一旦这个引力波的世界被撬开了一道小的裂缝，让我们看到了春天的种子，相信硕果累累的引力波丰收季节也不会太远。