在過去的十年中，一個新的天文學分支正悄然地進行著：引力波天文學。它與其他天文觀測非常不同，它并不是用天文望遠鏡來觀測這個宇宙，一個引力波探測器發(fā)射一束激光，并向互相垂直的兩臂傳播再反射回來，當激光返回相遇時，我們會得到干涉圖形。這樣的一個裝置叫做激光干涉引力波天文臺（LIGO），并在2002 - 2010年運行。之后關閉了五年進行升級，直到2015年9月重新開啟運作。
1916年，愛因斯坦在發(fā)表廣義相對論后不久便發(fā)表了以上這篇論文預言了引力波的存在。
愛因斯坦在1916年發(fā)表了一篇論文，并預言了引力波的存在，這是愛因斯坦廣義相對論唯一未被驗證的預言。然而，就在一百年后的今天，引力波被探測到了??！我想他老人家如果聽到來自華盛頓的這個消息，表情應該是這樣的：
那么什么是引力波？為什么我們花費了100年的時間的才得以探測到它？為什么全世界的物理學家?guī)缀醵紴檫@個消息瘋狂，它有多重要？
什么是引力波？
在愛因斯坦發(fā)表廣義相對論之前，人們對時間和空間的理解與現(xiàn)在的非常不同。其實它們并不是固定、不變的量，它們是相互依賴的，同時也依賴于在它們之中的物質(zhì)和能量，隨著時間的流逝而改變。
如果你在時空中放入一個單一的質(zhì)量，并靜止在時空之內(nèi)（或者讓它以恒定的速度運行），那么時空并不改變。但是如果你不想事情這么無趣，你在時空內(nèi)另外放進去一個質(zhì)量，那么兩個質(zhì)量會相對運動，并且會互相加速，那么時空的結構就會被改變了。特別是，如果你有一個質(zhì)量較大的物體在引力場的作用下運動，根據(jù)廣義相對論的性質(zhì)這就意味著該物體會加速，并且會發(fā)出一種全新的輻射：引力輻射。
我們的太陽和地球是如何彎曲時空的，圖中的綠色格子代表了時空本身。廣義相對論描述了一個大質(zhì)量物體如何彎曲時空，彎曲的時空告訴地球如何運動。愛因斯坦的理論也預言了引力波的存在。
引力輻射跟其它的輻射非常不同，它以光速在空間中傳播，但是它自己其實是時空結構的漣漪。它從加速的物體攜帶走能量，這就意味著如果兩個質(zhì)量互相作圓周軌道運動，軌道就會隨著時間衰變。舉個例子，像太陽和地球這樣的系統(tǒng)，由于兩個天體的質(zhì)量（相對地）非常小，以及它們之間的距離較遠，這大概需要10的150次方年才會衰變，比宇宙的年齡還要大很多很多，這對我們來說是個好消息，否則地球就會由于引力波攜帶走能量而與太陽撞上。但是像黑洞或者中子星系統(tǒng)，情況就非常不一樣了，它們之間的軌道衰變早就被觀測到了。
在1974年的時候，美國物理學家泰勒和赫爾斯發(fā)現(xiàn)了兩個中子星組成的互相旋繞的雙星系統(tǒng)。其中一顆是脈沖星，利用它精確的周期性脈沖信號，他們計算出了該雙星系統(tǒng)繞其質(zhì)心公轉(zhuǎn)時它們的軌道半長軸以及周期。由于引力波會帶走能量，所以軌道半徑和周期也會變短，理論和觀測精確的符合了，從而間接地證實了引力波的存在。但問題是，我們從來沒有直接地探測到引力波?？茖W家相信在宇宙中還存在著更強的系統(tǒng)，比如兩個黑洞互相公轉(zhuǎn)最后合并在一起，而黑洞間的合并信號便是引力波的產(chǎn)生，LIGO的升級就是為了尋找這樣的信號。
在多年的努力下，LIGO團隊的科學家終于找到了這樣的信號?。?！基于觀測到的信號，科學家估計這兩個黑洞分別為36和29太陽質(zhì)量的黑洞，最終合并為62太陽質(zhì)量的黑洞并輻射出引力波，這樣一個事件發(fā)生在13億年前，并在2015年9月被LIGO探測到。在兩個黑洞合并的時候，大約3倍的太陽質(zhì)量在1秒內(nèi)被轉(zhuǎn)換為引力波，輻射出的峰值功率是整個可觀測宇宙的電磁輻射強度的50倍！下面的視頻模擬兩個合并的黑洞并輻射出引力波。
LIGO的運作原理
LIGO的實驗裝置。
LIGO會發(fā)射兩束激光往互相垂直長度為4公里的長臂，兩束激光會不斷地來回反射200次來增加路徑長度，最終回到分束器并產(chǎn)生干涉圖案。在正常的情況下（也就是沒有引力波的通過），兩束激光的路徑長度一樣，干涉圖案看起來并沒有什么異常。但是，一旦引力波通過，干涉圖案就會發(fā)生變化，從這樣微小的變化就可以推導出產(chǎn)生引力波系統(tǒng)的兩個質(zhì)量，它們之間的距離以及離我們有多遠。（文末的視頻會幫助你更好的了解LIGO的運作原理。）
LIGO在全世界各地都建立了探測器。但是此次主要在運作的是位于美國華盛頓Hanford和路易斯安那州Livingston的探測器。
如果兩個探測器看到了同樣的變化，就表示我們就探測到了引力波！Livingston記錄該事件比Hanford早7毫秒。下面這個圖顯示了兩個探測器觀測到了幾乎一樣的引力波信號。
從圖中我們可以看出，Hanford（上）和Livingston（中）接收到的信號和廣義相對論預言的波形符合的相當好。圖中的Y軸表示應變，用符合‘h’表示，其物理意義是引力波引起的時空畸變和平直時空的度規(guī)之比。X軸則代表了時間。圖中的（下）比較了兩個探測器的結果，我們可以確定它們探測到的是同一個事件。
看到這樣的結果，LIGO科學家的反應應該都是：WOW！??！我們不僅看到了來自兩個合并黑洞的引力波，同時我們也聽到了引力波的聲音！呵呵，有點不可思議吧。點開下面的視頻，你就能清晰的聽到引力波的聲音了！
聽到了兩次來自黑洞合的聲音了嗎？這樣的聲波頻率跟我們探測到的引力波頻率完全一樣。當兩個黑洞旋轉(zhuǎn)靠近的時候，引力波的頻率就會增加。科學家稱這樣的聲音為“啾啾”，因為一些事件產(chǎn)生的引力波聽起來就像是鳥兒的啾啾聲。
引力波的頻率和強度區(qū)域幾項因素：它們是從哪里來的，它們的質(zhì)量，它們之間的距離以及離地球的距離。
為什么需要100年？
愛因斯坦在預言了引力波之后，他并不認為我們可以探測到引力波，因為引力波是在是太微弱了。多微弱？上面我們提到過了引力波的強度h，它定義為
我們知道如果引力波傳播通過地球，就會造成空間拉升和擠壓（在下面視頻中可以清晰的看到引力波如何影響地球周圍的時空，當然視頻比較夸張是為了更清楚的呈現(xiàn)這樣一種效應）。而如此之小的應變就意味著當引力波通過LIGO探測器的時候，造成探測器臂的變化為質(zhì)子直徑的千分之一。這樣的一種變化是極度小的，探測器需要非常靈敏才可能探測到這樣微小的變化。在下面視頻的2：15秒開始，你就可以清楚的知道這樣的變化有多么的微不足道。
1916年愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，并在理論上預言了引力波的存在。100年后的今天，廣義相對論再一次得到驗證，這是引力波的第一次直接證據(jù)。
為什么發(fā)現(xiàn)引力波如此重要？它證明了愛因斯坦的廣義相對論相對論是正確的，引力輻射是真實存在的。合并的黑洞不僅產(chǎn)生引力波，并且可以被探測到。此次發(fā)現(xiàn)的重要性堪比伽利略第一次用望遠鏡對準了夜空，至此天文學開始了一個全新的時代，在不依賴天文望遠鏡的情況下，我們可以觀測黑洞，中子星，以及宇宙中另外一些不可見的物體。人類首次以一個全新的視角去探索宇宙。這是一次偉大的勝利！感謝那些日以繼夜工作的科學家！
