浅谈引力波的历史、定义及意义
摘要：在爱因斯坦提出引力波概念100周年以后，美国的LIGO【激光干涉引
力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory）】和欧洲的VIRGO引力波探测器联合发布消息，宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。

这是物理学界里程碑式的重大成果，引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。

关键词：广义相对论引力波探索历史意义
2016年2月11日，北京时间23:30分，加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会，向全世界宣布: We have detected Gravitaiton Waves.We did it!（我们已经探测到引力波，我们做到了！）瞬间这一消息引爆微博、朋友圈等各大平台。

作为一名大一的学生，我对这一“不明觉厉”的名词产生了浓厚的兴趣，在看过若干生动形象的科普视频、现场发布会实录、对著名科学家霍金的这方面的采访，查阅过相关文章后，决定系统地浅谈一下关于引力波的渊源、探索历史、具体定义，及这项轰动全球的事件背后重大的意义。

1915年，爱因斯坦发表广义相对论论文，革新了自牛顿以来的引力观和时空观，创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。

1916年，爱因斯坦在广义相对论的框架内，又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。

简单生动地来讲，引力波是时空中的涟漪。

如果把时空想象成一张巨大的橡胶模，有质量的物质会让橡胶模弯曲，好比在蹦床上扔了个保龄球，质量越大，时空被引力波扭曲的越厉害。

举个例子来说，地球绕着太阳转，是因为太阳的质量非常大，导致其周围的时空大大形变，如果想沿着这样的形变走直线，你会发现，事实上是在绕圈，轨道就是这样来的，并没有什么力拉着行星绕圈，只是时空弯曲着。

有质量的物质一加速，改变了时空中的扭曲，引力波随之而生。

任何有质量并且（或者）有能量的东西，都能产生引力波。

要是两个人彼此相绕跳一支舞，他们也会导致时空的涟漪，但非常微不足道，实际
上根本无法探测。

既然引力和宇宙中其他力相比十分微弱，那就需要非常非常重的东西，非常非常快地运动，才能产生我们能探测的大涟漪。

比如，后来科学家们发现的快速互相旋转的中子星、黑洞等。

可是我们怎样观测时空中的涟漪？如果你我之间的时空拉伸或
者压缩了，仅凭我们在橡胶模上做的记号，我们无法感觉到，比如，光看等距离放置在上面的石块是不行的，因为这些记号间的距离也被拉伸了。

但是有一个刻度尺它不会被拉伸：利用光速的尺。

如果两点之间的距离被拉伸（压缩）了，光需要用更长（短）的时间从这点跑到那点。

这就是LIGO实验的出发点。

当然，在这项已经成功的实验之前的数十年间，若干科学家曾投身对引力波的探索。

勇敢的实验物理学家Joe Weber深信，虽然地球上产生的引力波很微弱，宇宙空间中也许有天文现象可以导致足够强的引力波。

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世纪60年代末期，Weber开始用共振法测量引力波。

具体就是用一个很大的金属物体，利用引力波在物体的谐振频率上引起共振的特点，希望从这个物体的振动中提取引力波的信号。

Weber发表了一些实验结果，认为已经发现了引力波。

但是很可惜，他的实验没有人可以重复，而理论上也很难论证究竟是什么样的过程发出了这么强烈的引力波信号。

但是，Weber的工作激励了一批科学家投身引力波事业。

从20世纪70年代起，一批理论和实验物理学家加入了引力波理论研究和实验探测的行列。

【1】
1975年，就在引力波实验逐渐发展的时候，天文学家Hulse和Taylor发现了一对脉冲双星。

1982年，Taylor和 Weisberg通过其
轨道频率的演化，推断出了这个双星正在丢失能量，而这个能量丢失率和引力波导致的是一致。

这给引力波的存在提供了一个强有力的间接证据：引力波终于从纸上走了出来！Hulse和Taylor在1993年因此获得诺贝尔奖，脉冲双星也成为研究广义相对论和中子星的一个重要系统。

【1】
90年代初，Thorne和他的合作者认识到，双黑洞和双中子星的碰撞所发出的引力波可以有足够的振幅被探测到。

他开始系统的推进和开展引力波源的天体物理、相对论动力学研究和数据分析方法的研究。

虽然多数人认为双中子星是最靠谱的波源，Thorne一直认为双黑洞因为质量比较大， LIGO可以看到比较远的距离，所以相应的体积中就会有更多的可能性。

在90年代初，由Drever, Thorne和Weiss 领导的LIGO项目得到了美国National Science Foundation的资助，在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造一个臂长四公里的干涉仪。

他们所做的是发射出激光束，穿过这两个互相垂直的真空管道。

当激光再度相遇时，会形成所谓的干涉条纹。

当引力波经过时，它会把时空在一个方向上拉长，而在另一个方向上压缩。

通过测量从不同的点反射回的激光产生的干涉条纹，他们可以非常精准地测量这之间的距离是拉伸还是压缩了，精度之高超乎想象。

要达到探测引力波的需求，我们需要分辨在长度上10的23次方之几的变化，好比分辨一根长10的21次方米的杆子上5毫米的压缩。

这逆天的发现将是科学史上至关重要的一章。

并非仅仅因为它的结果直接证实了引力波的存在，验证了爱因斯坦广义相对论的几个非
常重要的预言（广义相对论之前的验证几乎都只适用于弱引力场，这一发现可以让我们在引力场很强且是高度动态的情况下（黑洞融合）验证广义相对论的预言），更是因为，在过去的一千年，我们都是利用光、无线电波和其他电磁辐射观测宇宙，而引力波提供了一种观测宇宙的崭新方式，探测它们的能力有望给天文学带来一场革命。

想象一下，如果你的一生都曾失聪直到有一天你的听力恢复了，你将可以用这个全新的方式聆听探索这个宇宙，这就是为什么引力波探测对我们如此重要，这是一种前所未有的探测宇宙的方式。

每次当我们用一种新的途径观测宇宙的时候，我们会发现未曾想象过的事物，这是真真实实寻找我们曾不知其存在的新事物，探索我们物理知识的终极边缘，并检测我们关于宇宙的理论。

参考文献：【1】陈雁北、范锡龙。

陈雁北: 爱因斯坦都不敢想象, 我们真的探测到引力波!|独家专访[OL]。

（2016-02-12）[2016-02-28].
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