引力波是什么？引力波被发现了意味着什么

伤我心太深

在过去的近10年时间里，尽管圈子非常小，但一个全新的天文学领域的确正逐渐出现，那就是引力波天文学。引力波是什么？和传统天文学使用天文望远镜对宇宙进行观测不同， 引力波探测器使用的是激光和反射器，研究人员会让激光在两块呈直角方位的反射镜之间来回，并观察两束光波叠加时所呈现的干涉条纹特征。这正是位于美国的 “激光干涉引力波天文台”（LIGO）所采用的做法。

引力波是什么

一大早被人类首次探测到引力波的新闻刷屏，可能有大批和小编一样迷茫的人还在纠结引力怎么会有波这种问题。引力究竟是怎么回事！

　一、牛顿的描述：

　牛顿认为，月球之所以会绕地球运转，是它们之间存在万有引力的缘故。这引力像绳子或弹簧一样一头拴着月亮，一头系着地球。一个形象的比喻就是投掷链球： 地球是链球运动员而月亮是链球，地球在自己旋转的同时用铁链（万有引力）拉住月球，带它一块转。当然，万有引力是无形的，看不见摸不着，却如一条条铁链拴 住世间万物。

　二、爱因斯坦的见解：

　　后来人们观测到遥远的星光经过太阳附近时会发生弯曲。而牛顿以来的科学家都认为光线是直线传播的。爱因斯坦认为，要解决观测与理论间的矛盾，只能假设太 阳周围的空间是弯曲的，这样光线在其中通过时，其路径也弯曲起来。于是他提出了广义相对论，用弯曲空间来讨论万有引力的作用：

　每个有质量的物体周围都会出现时空的“弯曲”。

这种弯曲就像在一层橡胶膜上放一颗铁球产生的凹陷一样。这时放在膜上的物体就要顺势滑向铁球。在现实中，太阳 的质量也在其周围产生空间弯曲，行星在“弯曲”的空间里运动，看起来好像是绕着太阳转圈一样。想象一下在漏斗侧壁上滚动的小球，只要它的速度合适，就不会 落入漏斗中。同样，包括地球在内的行星都以恰到好处的速度绕太阳转动，因此不会被太阳这个“引力漏斗”吸入。

一颗普通的恒星太阳尚且能把时空弯曲到如此程度，更不必说体积甚小、质量更大的黑洞了。它在时空中产生的弯曲就像用一根针戳向橡皮膜造成的凹陷一样厉害。这时牛顿的万有引力定律已经派不上用场。

　你大概会认为这是一种想象出来的局面，但实际上并非如此。地球这颗行星是沿着椭圆路线绕着太阳运行的，正像一条船在呈曲面的大海上行驶一样。至于这条椭圆路线，牛顿是假设太阳和地球之间有一种引力来解释的，正是这种引力使地球保持在它的轨道上。

不过，我们也可以从空间几何形态来考虑问题。我们不是通过观察空间本身——空间是看不见的——而是通过考察物体在这种空间里的运动方式，来确定这种空间 的几何形态。如果空间是“平坦的”，各种物体就会走直线从这个空间中通过，如果空间是“弯曲的”，各种物体就会走出弯曲的路线来。

　一个具有确定质量和速度的物体，如果在离开其他物体都很远的地方运动，那么，它的路径真的可以说是一条直线。而当它越靠近另一个有质量的物体，它的路径 就会变得越来越弯曲，显然，是质量把空间弯曲了。质量越大，离质量越近，空间弯曲的就越厉害。由此看来，万有引力只适用于描述空间弯曲程度较轻的情况，而广义相对论则适用于任何程度的弯曲空间。

　　名词解释：“时空”在相对论中，时间与空间不可分割，就好像物体的长、宽、高不可分割一样。爱因斯坦认为，时间是现实世界中除长、宽、高以外的第四个维度，“空间~时间”构成了一个连续的体系。单指出一个物体的瞬间状态是没有什么意义的，必须也描述该物体在时间中的变化。

引力波被发现意味着什么？

示意图：两个黑洞的合并过程及其对于背景星光的扭曲形变效果

一个中央存在两个黑洞的星系

在2002年至2010年之间的运行时期，LIGO设施验证了其设计概念的可行性，随后经历了长达5年的关闭升级。直到2015年9月份，升级后的该设施被重新启用并被称作“先进LIGO”。北京时间2月11日23：30许，先进LIGO合作组即将对外发布他们的首个重要科学成果。对此，外界普遍的猜测是：他们将要宣布首次直接探测到引力波信号的消息。如果这个消息最终结果被证实，这将意味着什么？

一个脉冲星双星系统及其产生的时空涟漪（引力波）示意图

LIGO设施工作原理图

时空中的涟漪

当爱因斯坦最早提出他的广义相对论的时候，他彻底革新了我们原先对于时间与空间的概念理解。我们此前一直认为空间是恒定而不变的，物质和能量存在于其中。但爱因斯坦的理论指出空间实际上与能量和质量之间都是相互联系的，并且随着时间推移空间也在发生变化。如果只存在一个质量物体，静止地存在于时空之中（或者处于匀速运动状态），那么它所处的时空不会发生变化。但如果你加入第二个质量物体，那么这两个物体之间就会发生相互运动，互相会向对方施加一个加速度，在这一过程中也就将造成时空结构的改变。更加重要的是，由于存在一个大质量粒子在引力场中运动，广义相对论指出这一大质量物体将会被加速，并释放一种特殊的辐射：引力辐射。

这种引力辐射与你所知的其他任何种类的辐射都不同。它会以光速穿越空间，但它本身又是空间中的涟漪。它从被加速的物体带走能量，这就意味着，如果这两个质量物体处于相互运行的轨道之中，那么随着时间推移这个轨道将会逐渐收缩，这两个质量物体之间的距离将逐渐缩短。不过不要太过担心，对于像地球围绕太阳运行这样一个系统，相对而言这两个天体的质量还太小，而两者之间的距离又非常巨大，因此在引力波耗散能量的条件下，这个轨道也将需要经过10的150次方年才会衰减崩溃，如此长的时间早已远远超过了宇宙的年龄，事实上这也远远超过了已知所有恒星的寿命！然而对于相互绕转的黑洞或中子星而言，它们之间存在的轨道衰减效应则已经被观测到了。

科学家们认为宇宙中可能还存在着我们尚未探测到的更高能的事件，如黑洞的相互合并。这类事件应该会产生某种特征信号，而这样的信号是可以被“先进LIGO”系统捕捉到的。

先进LIGO设施的引力波探测范围示意图

先进LIGO探测器

从本质上而言，“先进LIGO”系统采用的探测手法是相当简单而直接的，它利用了引力波辐射的本性和它最重要的性质之一。引力波会造成空间的拉伸或压缩，其频率和强度取决于形成这种引力波的天文事件所具有的一系列特征，如两个相互绕转天体各自的质量大小、它们两者之间的间距以及这一系统距离地球的远近。“先进LIGO”设施包括两条互相垂直的长臂，长度均为4公里。将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束，然后两束激光分别被4公 里外的反射镜反射回来并发生干涉，并且这样的反射可以来回进行多次，从而大大增加激光运行的路径长度。由于频率和波长完全一致，在正常情况下，这两束激光 应该是完全相同的，但是如果存在引力波作用，则会对这两束激光的波长频率产生影响，从而导致两束激光在叠加的干涉条纹上出现改变。这样的改变将能够让科学 家们判断两个绕转天体各自的质量大小、它们之间的间距以及这玩意系统到地球之间的距离等丰富的信息。

先进LIGO包括两处设施，分别位于美国西北部（华盛顿州）以及美国东南部（路易斯安那州）。如果这两处设施均观测到同样的信号，那么我们几乎就能够肯定我们的确是观测到了引力波信号了。目前版本的LIGO系统对于质量在1倍太阳质量到数百倍太阳之间之间的两个黑洞合并过程可能产生的引力波信号最为敏感，且其探测能力可以覆盖距离地球数百万光年之外——在这样一个巨大的空间范围内，符合条件的黑洞合并事件每年都会至少发生几次。

如果今晚LIGO合作组真的如外界所传言的那样，正式宣布探测到引力波信号的消息，那么这一消息所承载的意义将远远超出其本身——这将是对爱因斯坦广义相对论的全新检验，也是人类历史上对引力辐射首次成功的直接探测。“先进LIGO”是有史以来人类建造的最先进的引力波观测设施，因此也是最有希望能够窥见真实引力波信号的地方。该项目有超过1000名顶尖科学家参与其中，因而也使其成为规模最为庞大的引力波搜寻国际合作研究项目。如果所有科学目标都能够如预期中的那样达成，那么就在今晚，我们将一起见证一个全新天文学时代的开端。

尽管这次的消息最早是由一位项目组之外的科学家劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）最先披露的，因而也引发了外界的广泛批评——因为这样的消息理应是由当事方，也就是LIGO项目合作组来负责对外发布的。但不管如何，就在今晚，如果引力波被首次直接探测到的消息能够得到证实，那么这些都将显得不再那么重要，因为我们将会因此受益 良多：我们将会再次确认爱因斯坦是对的，引力辐射是真实存在的，并且黑洞的合并过程的确会产生这样的引力辐射，而更重要的是，这样的引力辐射信号是可以被 从地球上探测到的。这将是一个全新的天文学领域，一个不需要望远镜的新的天文学领域，它将引领我们打开理解黑洞、中子星和其他难以采用传统方法进行观测的天体类型的全新视野。

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