人类看到引力波意味着什么（人类终于能看到）

十几亿年以前，在遥远的宇宙深处，一个黑洞正缓慢地陷入另外一个黑洞的引力场。这场起始于两个庞然大物之间的战斗，最终将会以猛烈的爆炸结束。今天，我们又该如何来了解这场战斗的始末呢？

•一位汉诺威的数据分析师作出重大的发现。

•引力波是什么？

•引力波是从哪儿来的？

•通过使用一项150年前的发明，让我们得以测量引力波！

•如何使用激光干涉仪来测量引力波？

•在五个多月的时间内，研究者们都没有将他们的发现公之于众。

•激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的建立者于2017年被授予了诺贝尔物理学奖。

汉诺威，众望所归的消息

那是在2015年9月14日的晚上，数据分析师Marco Drago坐在他汉诺威办公室的电脑前，分析着收集到的数据。Drago隶属于一个全球物理学家的联合小组，他们的任务就是去证明100年前由爱因斯坦提出的理论——引力波理论。

为了完成这个任务，他们在美国建造了长达数千米的测量仪器，也就是激光干涉仪引力波天文台，简称LIGO。

这个巨大的激光干涉仪坐落在美国城市Livingston和Hanford之间。两根长达4千米的真空钢管垂直交错，在它们的内部精准设置镜子用来反射激光。

某一天晚上，当LIGO的电脑系统开始报警，Marco Drago还没有意识到，他是LIGO建成40年后第一个真真正正观测到引力波信号的人。长达一百多年的寻找终于有了一个完美的结局，同时也为我们探索宇宙打开了一扇新的大门。

LIGO在Hanford建造的数千米长的测量仪器

什么是引力波？

爱因斯坦在他的广义相对论中就对引力波有了相关研究，他将其描述为一种时间和空间的作用效果。在他的设想中，空间和时间就好像是一块橡胶布。宇宙中的每一份能量、质量，比如太阳、行星，也可以是一只仓鼠，都会在这块橡胶布上引起一片凹陷。凹陷越深，则引力越大，也就是物质之间相互吸引的作用力越大。

在这块爱因斯坦称其为“时空”的橡胶布中移动的物体，会在时空中产生波，就仿佛是在平静湖面上滑动的小船带起了一圈圈涟漪。

对于时空而言，这些波意味着在短时间内，时间与空间都被扭曲了。爱因斯坦将这些波称为引力波。由于引力波没有质量，所以在时空中以光速传播。爱因斯坦的理论在一百多年后终于被LIGO证实。

引力波是从哪儿来的？

2015年9月14日，让地球震动的引力波是从剑鱼座位置麦哲伦星云之后很远的地方，在14亿年以前发出的。剑鱼座只能在南半球被观测到。

两个黑洞相互靠近，最终融合成一体。它们在螺旋轨道上相互旋转，从而靠的越来越近。通过这个运动所产生的引力波应该可以在地球上被探测到。

LIGO的物理学家们通过引力波的波形和频率可以推断计算出这两颗黑洞的特征。其中一个拥有大约30个太阳的质量，而另一个大约是35个太阳质量。

当它们相距350千米之后，在0.2秒内便融合成了一个新的黑洞。新的黑洞大约具有62个太阳的质量。

剩余的3个太阳质量则会以引力波的形式向外扩散。因此引力波在初期具有极大的功率，约36.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 瓦。这样超级巨大的数字已经无法用词汇来描述，物理学家们将其简化为3.6乘以10的49次方瓦。引力波以光速均匀地向所有方向扩散，能量也被如此分散开。

图解：黑洞碰撞的电脑模拟图

通过使用一项150年前的发明，让我们得以测量引力波！

人类是无法直接感知引力波的。事实上，我们需要有能够精确测量千分之一的质子直径大小的长度变化仪器。这个长度变化是非常非常微小的。

但是，通过一项技术使得我们能够完成这样的测量：一台干涉仪。干涉仪的历史要追溯到Albert A. Michelson，一个普鲁士物理学家。在1883年他设计了一种仪器，用两束光线来产生干涉现象，也就是波峰和波谷叠加后的变化。

因为光具有波的特性，所以能够通过光来研究干涉现象。但是使用的光线必须有相同的波长。当两束光线同步时，则波峰与波峰相加，波谷与波谷叠加。当它们不同步时，则波峰和波谷会全部或者部分被抵消。那样就会产生典型的干涉图。有些区域的光线会被增强，而有些区域则会彻底被抵消。在屏幕上人们就能够看到明暗交替变化的光线干涉图样。

如何使用激光干涉仪来测量引力波？

激光干涉仪利用了激光总是在固定波长震荡的特性。光束被射向一块斜置的半透半反镜，这样光线会被分离成两束呈90度角垂直的光束，两束光线会通过相同的路径抵达长管的终点，并在那里被镜子反射回来。

两束激光会再次通过一开始的半透半反镜，然后被探测器记录观察。因为它们初始的振动频率和振幅相同，经过相同的距离之后，仍然保持不变，则探测器无法观察到干涉现象。

引力波不仅扭曲时间也扭曲空间。结果就是，当引力波传递至干涉仪后，两束激光的振动节奏会产生偏差，于是就产生了干涉现象，这也就是引力波信号。LIGO的探测软件会计算典型的波形，然后将其以声音的方式再次展现出来。

马克斯普朗克研究所引力物理学部的激光干涉仪GEO600

真与假？长达半年的未解之谜。

测量引力波并不容易。每一次碰撞，每一辆驶过的卡车，甚至是遥远海洋中的海浪都会被LIGO探测器记录测量。

人们必须在大量波形中进行区分。地面上人们产生的波形得以很快被删选出去，但是在干涉仪上的引力波究竟是什么样子的呢？

为了解开这个谜团，科学家们建立了许多数学模型，就像模板一样，用来模拟例如一颗高速旋转的中子星，当然也有相互融合的两个黑洞。然后将测量到的数据和这些模板进行比对，删选出符合引力波的波形。

尽管如此，仍然会有许多误导的测试波形在系统中被记录显示。从测量到验证，科学家们都必须十分的认真仔细。有时候，LIGO的工作人员一整天的计算和分析，最终发现只不过又是一次测试。

因此，2015年9月15日的信号一开始并未公布。起初没有人知道这是一个真实的引力波信号，还是一次模拟测试信号。经过繁杂的验证，最后科学家们确定，这不是一次测试！这是人类历史上第一次测量和记录引力波！

LIGO的科学家们决定，只有在进行了十分准确的科学论证之后才能发表这项发现。于是，在五个月以后，于2016年2月，引力波的发现才被公之于众。直到那一刻，所有的研究数据和结论才被揭露。同时公布的还有一段蜂鸣声，这是通过将测量到的引力波信号调整至可以被听见的波段产生的。

诺贝尔物理学奖：我们对于宇宙的认知被改变了。

2016年2月以前，天文学主要是通过光学望远镜、红外线望远镜和射电望远镜来探索宇宙的奥秘。因此一直存在的问题是，只有那些放射光的物体才能够被观测到，并且有些物体的信号太过于微弱。黑的物体，比如黑洞，只能通过间接的方式进行观测。

通过引力波的发现，我们不仅可以看见宇宙，还能“听见”它。分析研究引力波，让我们第一次真正意义上直接证实了黑洞的存在。其它一些高质量天体，比如爆炸的恒星、超新星，以及中子星也能被更进一步地研究。在爱因斯坦预言的100年后，科学家们有机会从全新的角度去了解研究我们的宇宙。

科学家们因为杰出的贡献，以及数十年来孜孜不倦对于引力波的搜寻终于在2016年被授予了诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖得主Rainer Weiss，Barry Barish 和Kip Thorne是LIGO的建立者和领导者。他们代表成千上百为验证爱因斯坦引力波理论付出劳动和汗水的科学家们和工程师们获得了奖项，是他们证明了引力波的存在。

2017年Barry Barish, Kip Thorne 和 Rainer Weiss领取诺贝尔物理学奖

作者: Sebastian Funk

FY: Lexer

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