关注 | 昨夜，一则来自100年前的预言被印证了……
100年前（即1915年），一位英俊潇洒的青年经过十年的苦思冥想，终于参悟了时空与引力的本质，写下了一个划时代的公式，在广义相对论的基础上，指出浩瀚宇宙中，还存在一种神秘的事物——引力波，并预言：强引力场事件可产生引力波，比如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等……这个青年，就是爱因斯坦。
爱因斯坦
100年后，在2016年2月11日北京时间23点30分，经过几代科学家长达一个世纪的不懈努力，这个来自100年前的预言终于被印证：
美国国家自然科学基金会携加州理工、麻省理工和LIGO科学合作组织（LSC）的专家向全世界宣布：美国的LIGO（激光干涉引力波观测站）首次直接探测到了引力波。
当激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）项目主管大卫·莱兹（David Reitze）在华盛顿举行的新闻发布会上终于自豪地说出了这句“女士们先生们，我们发现了引力波。我们做到了！”的时候，这或许标志着物理学一个新的时代的到来。
至此，这个存在了100年的“科幻”概念也终于变成了现实。
喜欢看科幻小说的人，可能对“引力波”这个名字并不陌生。在刘慈欣的小说《朝闻道》中，有这么一个情节：掌握宇宙终极理论的外星文明“排险者”造访了地球，在那个世界里，寻找终极理论所必须的能量，将导致我们所在的宇宙毁灭；而为了多重宇宙的安全，他们又不能直接把终极理论的细节告诉人类。
但是一位地球物理学家提出，可以绕过这个所谓的知识密封准则：“你把宇宙的终极奥秘告诉我，然后毁灭我。”事就这样成了。他们用自己的生命，换取了短暂而永恒的领悟。
如果终极理论必将导致毁灭，那么排险者是如何得到它的呢？在小说中，答案就是引力波。上一个宇宙寻找终极理论的努力引发了真空衰变，但是在最后关头，他们将获取到的知识编码在引力波之中，发射了出去。排险者是我们宇宙中的第一个文明，也是唯一一个在引力波衰减到不可读之前破译了它的文明。
“引力波”大家都在说，听起来好像很厉害的样子，可是除了物理大牛们，我们普通理科“小白”却并不能真正参悟到“引力波”的真谛。今天，我们就先来揭开“引力波”的神秘面纱。
要了解引力波究竟是个什么东东，我们还得先来看一个爱情故事。还记得泰坦尼克号里那对爱的死去活来的恋人——杰克和萝丝吗？
没错，就是他俩（图片来源：《泰坦尼克号》）
我们可能只从这愉快的转圈圈里看到了俩人间的浓情蜜意，可是在物理大牛的眼里，他们还看到了——引力波（当然很微不足道）。
为啥呢？
杰克和露丝之所以会互相吸引，除了因为爱，还因为质量。在爱因斯坦的描述中，有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲，物体的质量越大，时空就扭曲得越厉害。
而如果我们将时空看成一张大橡胶膜，然后往上面放一个露丝，那么她的质量就会把橡胶膜往下压，在旁近放一个杰克，你可以看到这个景象：
可以看到，露丝球和杰克球分别造成的时空弯曲，让他们俩逐渐滚向了对方并最终亲密接触（哪里不对）。当然了，被另一半问到“你为什么被我吸引”时，如果你回答“因为你重”，后果自负。
太阳和地球的关系也是一样道理，只不过太阳的比地球质量大得多，造成的时空扭曲也更大，所以看上去，地球在绕着太阳旋转——按照广义相对论的思路，“引力”只是时空扭曲必然带来的现象。
而当有质量的萝丝和有质量的杰克互相加速跳起转圈舞的时候，他们周围的时空就会发生这样的变化：
起伏，震颤，波浪……你可以用各种各样的词形容你在上图看到的“时空扰动”。这种变化以波的形式向外传播，用听起来很厉害的说法讲，就是“引力波”，换文艺点的说法讲，就是“时空的涟漪”。
杰克和露丝跳舞所引起的那点涟漪更多只能被观众感知，但质量巨大的系统，比如两个黑洞或两颗中子星快速相互绕转，它们产生的涟漪可就厉害了——像这种致密双星并合过程，所释放的能量，远超太阳一生释放的能量总和。
而这么大的能量，通常会集中在最后一秒内爆发——那一刻，整个宇宙中所有别的天体释放功率的总和都及不上它！
在两个黑洞相互接近绕转的过程中，根据广义相对论的数学物理推导，这是一个随时间变化的四极矩，因此会不断朝外辐射引力波，而引力波的辐射会把两个黑洞之间的引力势能降低，所以两个黑洞的距离会变小。
这是一个典型的正反馈过程，随着两个黑洞的距离变小，它们之间相互绕转的频率会变得更快，就好像是在舞池上的两个芭蕾舞演员，最后他们会抱在一起——这就是两个黑洞碰撞并合在了一起，这一过程会放出大量的引力波能量。
这一辐射的能量有多大，通过爱因斯坦的著名质能方程E=MC²计算可知，这相当于数以亿亿亿亿计的原子弹同时爆炸，其威力相当惊人，整个空间都在颤动。这一颤动也在13亿年后传到了地球——这就是目前LIGO探测到的引力波。
答案是超乎你想象。
“引力波”有着令人惊叹的能力和性质——人家可是能以光速传播时空扰动的！
首先，变高变瘦对你而言将不再是梦想。
如果一串引力波迎面通过你，那么变高变瘦对于你而言将不再是梦想。当然，变矮变胖也一样。在引力波的作用下，你会不断发生拉伸和压缩，你会先变高变瘦，再变矮变胖，再变高变瘦，再变矮变胖……像是这样：
当然，真实的变形幅度并没有那么大（幸亏如此）。即便是致密双星并合时产生的引力波，除非你就站在引力波波源附近，否则引力波只会把你的身高改变一丁点——大约是一个氢原子的100亿分之一。
除了这种扭曲时空的能力，引力波还有一个特别令人着迷的特点：高冷。
假设有一列引力波以平面波形式传播，那么它能在真空的宇宙空间中不带任何衰减地永远传递下去。只有碰到物质，比如半路迎来了一个你，它才可能会和你发生相互作用，而你能吸收一部分引力波携带的能量。
然而，这样的相互作用实在是少得可怜。即便你能在宇宙中堆满番茄酱，想要吸收掉1%的引力波能量，你的番茄酱墙需要大概 400万亿光年那么厚——可观测宇宙的尺度是1000亿光年左右，因此你需要4000个满是番茄酱的宇宙才能削弱引力波1%的能量。顺便提一下，这个过程需要花上400万亿年，而从现今的模型推测，我们的宇宙年龄在138亿年左右。
不过，也正因为上述信息，引力可以被用来探测浩瀚宇宙深处的奥秘。正如萝丝裙裾飘出的香水味儿透露着她不属于三等舱的信息一样，“引力波”也同样携带着关于波源的信息。如果这些信息能够被人类获取，我们将能够利用全新的手段来研究黑洞、中子星等各种天体，弄清发生在宇宙彼端的故事。
更重要的是，由于有几乎不衰减的特性，它能帮我们洞悉整个宇宙的源头——不是某段爱情，某种生物，某颗行星或者某个星系的起源，而是整个宇宙的起源。引力波的存在一经证实，我们将以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。而一旦寻找到合适的引力波，人们将能够为大爆炸理论和宇宙膨胀理论找到有利的证据。
想象一下在过去的所有时光，你对世界的理解都来源于道听途说，直到有一天，你能睁开双眼阅读关于宇宙的故事。对人类而言，获得探测引力波的能力，就相当于睁开了这样一双眼睛。
其实，虽然爱因斯坦在100年前做出了这个关于“引力波”的预言，但是他本人却很快断言，引力波无法被探测到。因为，就像我们上面讲的，当一列引力波向你迎面走来时，你会忽而又高又瘦，忽而又矮又胖，并且循环往复——但是，这个变化实在是非常的微小。
并且，从爱因斯坦预言后到现在，科学家们搜集到的引力波存在的证据依然只是间接的。
要直接探测到引力波，太难了。
不过，什么都不能阻挡人类探索的脚步。20世纪90年代，麻省理工学院的莱纳·魏斯（Rainer Weiss）想到了一个绝妙的点子：用激光的干涉来测量引力波。
简单来说，一束激光在经过一个半透镜后朝向两个互相垂直的方向前进，各自撞上一面反射镜，反射回来重新汇聚。理论上，只要反射镜与半透镜的距离精确一致，汇聚后的激光能够由于干涉而相互抵消。而一旦引力波经过，激光走过的距离被改变，干涉现象也会因此发生变化，从而被观测到。
这个点子后来受到了加州理工的著名引力学家基普·索恩（Kip S. Thorne）的关注（对，这老人家就是《星际穿越》的科学顾问兼制片人）。他发现在魏斯的方法上加些合理的改进，可能行得通。
于是，就有了现在的结果：引力波被发现了！
为了探索引力波，加州理工和麻省理工开展合作，主导了两个激光干涉引力波观测台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，缩写为LIGO）的建设，更有来自加州理工等90多所高校的1000多名科学家参与LIGO的日常探测和研究。
位于华盛顿州汉福德的一台LIGO。另一台LIGO在美国路易斯安那州的列文斯顿。
这两个观测台建立在美国的华盛顿汉福德与路易斯安娜州之间呈现L型排列，每一边臂长都达到4千米的长度，两个测量臂垂直排列，两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射，如果干涉条纹发生了变化，就说明探测到了引力波事件。
大概过程就是下面这个样子：
美国东部时间2015年9月14日5时51分，位于利文斯顿的探测器首先传出撞击声，7毫秒后，汉福德的探测器也传出撞击声。这意味着有引力波传到了地球，并被两个天文台探测到。
当时，德国马克思普朗克研究所的物理学家们就发现了在aLIGO两个探测器上几乎同时探测到了一个类似于鸟鸣的频率逐渐升高的信号，信号从35赫兹的频率迅速升高到250赫兹，然后变得混乱，整个过程持续了四分之一秒的时间，两个探测器的探测时间相差7微秒。
英国的科学家们正在进行发布前的科普
这个信号因为太过清晰，以至于首先发现它的科学家甚至不敢相信这是一个真正的探测信号，宁愿相信这是一个人为的用于测验仪器的信号。而另外两个位于意大利和德国的引力波探测器在当时并没有运行，所以无法对这个信号进行确认。
最终证实这个信号来自于两个黑洞合并过程中发射出的引力波。根据计算，这两个此前相互旋转的黑洞分别具有相当于29个太阳和36个太阳的质量，它们在长久的相互环绕之后，最终无可避免的合并成为一个相当于62个太阳质量的黑洞。两个以光速的一半的速度环绕运行的黑洞最终合并，必将释放出巨大的能量，因此LIGO的创始人之一，理论物理学家基普.索恩（Kip Thorne）才评论道，“这是人类观测到的除了宇宙大爆炸之外最为剧烈的爆炸。”
在美国国家科学基金会召开的发布会上，LIGO研究者公布了aLIGO在2015年9月发现的这个源自两个巨大黑洞的引力波信号。经过10亿年的漫长旅行，这次并合产生的一小部分引力波信号终于抵达了地球。由于LIGO是在15年9月14日探测到的它，因此，最终将它命名为GW150914。
引力波的探测，是长达一个世纪物理学家梦幻的达成，是上千科学家数十年辛勤付出的回报，它意味着一个终点。
但同时，它更是一个起点。第一次直接探测引力波，仅仅是一个伟大时代的开端。
引力波的意义，不仅仅是验证广义相对论，更对天文探测起着无比重要的作用。比如说，在正式运行之前，几乎没有人会相信第一个探测到的引力波信号会是双黑洞并合，而且是质量如此之大的黑洞双星。通过这一次观测，我们知道了数十倍太阳质量的黑洞是可以存在的，这意味着其前身星必定金属含量比较低，同时星风比较弱。我们还可以限制这类事件的发生率，并且预测下一次科学运行时能有多少个探测结果。这一切，都无法通过传统的电磁波天文学得到。
事实上，引力波不光具备视觉所不能及的信息，其与人的听觉还有另一种异曲同工之妙：正如堵住一个耳朵，人就无法分辨声音的来源，只靠一个引力波探测器，也无法确定致密双星并合的信号。而现在测量致密双星并合信号的天空来源的方法，正如同人的听觉一样，靠到达两个耳朵的时间差，和到两个耳朵的信号的强弱比决定。因此，以地球为脑袋，引力波探测器为耳朵，LIGO的科学家们架设起了一座倾听宇宙的招风巨耳。
一个世界的长跑接力抵达了终点，但是一个新的时代，才刚刚悄然开启。
LIGO的创始者之一、麻省理工学院物理学教授雷纳·维斯说，“引力波的发现漂亮地印证了爱因斯坦在100年前的预言。如果我们有机会告诉他这件事，我真想看看他脸上的表情。”
来源：综合果壳网、中国青年报、人民日报、蝌蚪五线谱、中国新闻网、新华视点、三联生活周刊等。
本期编辑：马媛