引力波可以扰乱时空

伤我心太深

目前欧洲和美国的科学家正致力于建造LISA——边长为500万千米的三角形空间探测器。

LISA的设计原理十分独特：发射三个绕太阳公转的探测器，并且将它们置于边长为500万千米的三角形的三个顶点上。然后使用1瓦的激光和30厘米的望远镜来测量悬浮在每个探测器中金属立方体之间相对位置的变化。其测量的精度可以达到10皮米——也就是1/10埃。如果三个探测器间的距离因为引力波的到来而发生改变的话，这种变化将能够被探测到。

不同的引力波探测器所探测的引力波波段不同。LIGO和类似的设备正试图探测一些突发事件中的高频引力波，两颗中子星或恒星质量黑洞的碰撞，而LISA则会用来探测持续数月或数年的低频引力波。


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引力波

    爱因斯坦在其广义相对论中提出，引力波就是时空结构的扭曲。引力波以光速传播。但是其强度很弱，科学家预计只能在大型宇宙事件发生的时候才能捕捉到，例如黑洞合并等等。Ligo和Lisa两个探测器就是专门用来捕捉这种引力波的。
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地面引力波天文台LIGO



我们的世界存在各种各样的波：空气振动而产生的声波、水面不断荡漾的水波，风吹草地时产生的层层绿波……就连光从本质上来讲也具有波动性质。那么引力波又是怎么一回事呢？

在爱因斯坦的广义相对论中，时间和空间是一个统一的整体，物质的存在可以使时空发生弯曲——广义相对论中的爱因斯坦场方程描述了这种相互关系。从理论上来说，如果我们在弱场近似（弱引力场）下解这个场方程，得到的答案将是一个描述时间和空间的波动形式的解。从本质上来说，引力波和普通日常生活中的的波动不一样，它是一种时空扰动的传播，波动的本身是时间和空间。如果一个物体做非球对称加速运动，那么它就会产生引力波辐射，可以想象即使池塘中一只青蛙突然从水中跳到荷叶上，也会产生引力波辐射而使周围的时空如同被微风吹拂的水面般产生层层涟漪。但引力波辐射非常微小，目前人们依然无法探测到大质量天体运动的引力波，就更不用说青蛙跳跃所产生的引力波了。

如果真探测到引力波，我们将获得一种全新的方法以观测宇宙。目前对于宇宙的了解大都是通过光学途径获取的。光是我们观测太空中比如银河系深处天体的唯一方法，而引力波有可能成为了解这些遥远天体的新手段，它将帮助我们获取如黑洞等不发光的天体的信息、了解超重天体的运行及碰撞情况。

关于探测引力波的重要性，打个形象的比方，可将宇宙看作一部电影，而引力波是电影的声音。只通过光来研究电影，我们可以看到正在发生什么；通过声音来研究 电影，我们能听到正在发生什么。虽然这两种手段都让我们对电影的故事情节有所了解，但只有同时看和听，我们才能真正了解这部电影。这就是这什么能同时利用引力波和光波来研究宇宙会让科学家们如此激动的原因。

如果人类经过不断的尝试，对观测仪器、观测方法等一系列方面做了多方面完善的技术改进，从理论上来说具备了能够探测到引力波的条件时，却仍然没有探测到引力波。那么这种零结果的探测依然具有重大的意义：意味着广义相对论在某种程度上需要重新修改，人类对宇宙，对时间和空间的认识需要进一步加深。而修改的过程中物理学的研究又会迈入一个崭新的世界。

最早的引力波探测器是韦伯在他的实验室里制造的一个棒状探测器，1969年他宣布发现了引力波。消息一传出，轰动了全世界。从70年代起，世界各地相继建立了引力波检测装置，然而遗憾得很，大家的结果都否认了韦伯的结论。引力波问题仍然是一个悬而未解的科学奇案。为什么引力波的检测这样困难呢？因为引力效应实在是微乎其微，它只有电磁效应的1040分之一，这就造成了检测技术的极大困难。

韦伯首次实验大约10年后，终于有人间接地证实了引力波的存在：阿雷西博观测站的天文学家们对沿轨道互绕对方运行的两个星体进行了多年的观测后，发现星体绕对方运行的周期在慢慢地减短。科学家小约塞夫·泰勒和拉赛尔·赫尔斯猜测双星运行周期的变化是由于引力波的产生导致了能量的损失。他们用数学方法得的双星运行周期的变化量正好符合天文学家们的观测结果。但直接检测出引力波仍是实验物理学留下的最大课题之一。引力波的存在虽然被间接证明了，但其直接的探测仍然存在巨大的挑战，人们设计了各种各样的探测器来探测这种微弱的信号：

激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）是目前地面最大的引力波探测器，它的原理并不复杂——利用的是和迈克尔孙干涉仪类似的干涉原理。

见下图，LIGO有两条巨大的相互垂直的手臂，手臂的镜头安装着探测器，来自两个探测器的信号最终被中间仪器接收并形成干涉。如果有强度能够被探测到的引力波经过，那么时空的长度一定会发生短暂的变化，这种变化将导致干涉模式的变化，如果我们能够探测到干涉模式的变化，那也就说明我们探测到了引力波。