引力波——来自太空的声音

几十亿年前，两颗巨大的恒星沿轨道绕对方运行，并最终相继死亡，形成了两个黑洞。

大约在13亿年之前，这两个黑洞发生碰撞，在碰撞发生前的最后的几分之一秒内，它们在引力的作用下一起完成了几十次的绕转最终碰撞合并在了一起，产生了剧烈的时空震荡。

黑洞碰撞的一丝余音踏上了漫漫的时空旅程，以光速向着四面八方传播而去。

当这缕余音经过本超星系群时，地球上正是恐龙时代。

当它来到银河系时，人类正在创作石洞壁画。

当他接近地球附近的星团时，爱因斯坦通过推理，提出了引力波的概念。

2015年的9月14日，当它最终经过地球时，两个名为LIGO的探测器捕捉到了它的存在，整颗星球因为它的这一次路过沸腾了。

美国理论宇宙学家珍娜·莱文，在自己所著的《引力波》一书中记录下了这一历史性时刻，并为我们讲述了其背后的故事。

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1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，颠覆了牛顿对于引力的认识，同时彻底革新了我们原先对于时间与空间的理解。

广义相对论认为：时空就像是一张巨大的橡皮膜，有质量的物体会使时空发生弯曲，这弯曲了的时空则会反过来告诉物体如何运动。

而这些在弯曲时空中加速运动的物体，会激起时空的“涟漪”，也就是“引力波”。

近100年来，爱因斯坦基于广义相对论提出的其他很多预言都已获证实，然而引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。

因此在很长一段时间内，在引力波是否存在这个问题上，学界一直抱有争论。

20世纪70年代，天文学家赫尔斯和泰勒观测到两颗中子星组成了一个相互绕转的双星系统。

按照广义相对论的理论，它们会将轨道能量以引力波的方式传递到出去，从而导致星体的轨道半径缓慢地缩小，运转一周的时间也会随之缩短。

之后长达几十年的观测结果表明，这个双星系统运转一周所需的时间每年会减少76.5微秒，这与相对论的预言高度一致。

罗素赫尔斯和约瑟夫泰勒给出了引力波存在的第一个证据，驱散了长久以来笼罩着的迷雾，让人们对引力波萌生出更强烈的探求渴望。

20世纪70年代，麻省理工学院的雷纳·韦斯想到了一个绝妙的点子：用激光的干涉来测量引力波。

这个想法吸引了许多同样对引力波抱有热情的科学家，逐渐组建起了LIGO的科研团队。

按照雷纳的想法，只需要五步就可以建造出一个引力波探测器。

第一：寻找一个不会发生地震的地方。

第二：建造两个相互垂直呈L型的真空管道。

第三：在L形管道的拐角处，放置一台大功率高能激光器，并用分光器将发射出来的激光分成两束。

第四：在干涉臂的末端悬挂一面光滑平整的反射镜。

第五：调节各个部分，让激光沿干涉臂原路返回，并在起点处汇合。

一台探测器这样就做好了，两条从反射镜返回的激光在分光器处发生干涉。如果两束激光的传播距离正好相等，那么它们则会相互抵消。

如果在引力波作用下，一条干涉臂的长度稍有缩短，而另一条干涉壁的长度略有增加，那么两竖激光的传播距离就不会相等。

当他们重新汇合时，干涉图样可以记录下两束激光在传播距离上的微小差值。

除此之外，还需要在远离这一探测器的地方再建造一台，第二台探测器不仅可以验证第一台探测结果的正确性，还能和第一台探测器一起确定引力波的发生位置，就跟人可以用两个耳朵判断声音的方向一样。

这么看来，雷纳提出的这个观测引力波的方法并不复杂，但是有一个想法和将这个想法付诸实施是两件截然不同的事。

宇宙中任何加速的物体都可以自然产生引力波，但是正如池塘里的涟漪，随着在宇宙中的传播，引力波会变得越来越弱。

只有非常致密的星体以接近光的速度加速运动时，才能够产生在地球上探测得到的足够强大的引力波。

而这些引力波到达地球时，引起的空间变化大约只有十万亿亿分之一。相当于在地球周长10亿倍的距离上测量出比人的头发丝直径还要小的长度变化。

 

除此之外，探测器必须可以记录数百万个星系引发的空间震荡，才能使记录黑洞碰撞成功的概率达到科学合理的程度。

因此，引力波的探测成为了历史上对精度要求最高的实验，设计的探测器干涉臂长达4KM，所需的各方面实验资金远超各个基金会的承受范围。

LIGO的第一任项目负责人不得不使出浑身解数，成功地在20分钟内让一位议员对宇宙产生了兴趣，最终获得了国会的资金支持。

整个团队在数十年间经历了多次人员重组，研究设备和研究方法也一次次被优化。

最终，付出终于换来了回报。

在爱因斯坦提出广义相对论100年后，LIGO从嘈杂的“噪声”中首次捕捉到了引力波，找到了广义相对论的最后一块拼图。

 

从伽利略用一架简陋的望远镜观察太阳开始，人类把400年来拍摄的一系列静止的天空照片，汇编成了一部讲述宇宙历史的无声电影。

而引力波的探测，将为这部电影配上一手不是很悦耳，但却十分热闹的主题曲。