引力波

　　能量来源

　　广义相对论预言下的引力波来自于宇宙间带有强引力场的天文学或宇宙学波源，作为以波动形式和有限速度传播的引力场。按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波。包括银河系内的双星系统（白矮星、中子星或黑洞等致密星体组成的双星），河外星系内的超大质量黑洞的合并，脉冲星的自转，超新星的引力坍缩，大爆炸留下的背景辐射等等。

　　爱因斯坦的广义相对论描述具有质量的物体如何在时空环境下弯曲，可形象地形容为提供一张紧绷的床单，然后将足球放在床单中心，具有质量的物体在时空下发生的弯曲，犹如足球周围出现褶皱的床单。但它也像湖面上泛成的波纹，由加速物体导致的时空环境失真将逐渐衰减，因此，当它们抵达地球范围，则非常难以被探测到，但不是不可能探测到。舒茨说：“在我的意识中，探测引力波将打开调查宇宙的新途径，我们期望能从合并黑洞中频繁地探测到引力波，这里的引力波将携带真实可靠的信息。由于引力波是黑洞喷射的唯一放射线，我们将首次直接观测到黑洞。”

　　历史发展

　　间接探寻

　　20世纪60年代，美国马里兰大学的物理学家韦伯（Joseph Weber）首先提出了一种共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成，直径1米，长2米，质量约1000千克，用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时，圆柱会发生共振，进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器，只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年，韦伯宣称他探测到了引力波，立刻引起了学界的轰动，但是后来的重复实验都一无所获。

　　虽然引力辐射并未被清清楚楚地“直接”测到，然而已有显著的“间接”证据支持它的存在。最著名的是对于脉冲星（或称波霎）双星系统PSR1913+16的观测。这系统被认为具有两颗中子星，以极其紧密而快速的模式互相环绕对方。其并且呈现了渐进式的旋近(in-spiral)，旋近时率恰好是广义相对论所预期的值。根据广义相对论，该双星系统会以引力波的形式损失能量，轨道周期每年缩短76.5微秒，轨道半长轴每年减少3.5米，预计大约经过3亿年后发生合并。对于这样的观测，最简单(也几乎是广为接受)的解释为：广义相对论一定是对这种系统的重力辐射给出了准确的说明才得以如此。

　　用激光干涉方法或许可以探测这个双星系统的引力波。自1974年，泰勒（Joseph Hooton Taylor）和赫尔斯（Russell Alan Hulse）和对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测，在1980年，他们也是采用精密的射电仪器，由实验行到观察值为（3.2±0.01）×10 ^-12，与理论计算值在误差范围内正好符合。这可以说是引力波的第一个定量证据。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

　　2012年12月，中国科学院地质与地球物理研究所汤克云研究员领衔的科学组，在实施多次日食期间的固体潮观测后，发现现行地球固体潮公式实际上暗含着引力场以光速传播的假定，从而提出用固体潮测量引力传播速度的方法。最终获得全球“引力场以光速传播”的第一个观测证据。

　　精确测量

　　1991年，麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，开始联合建设“激光干涉引力波天文台”（LIGO）。LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂，臂长均为4000米。在两臂交会处，从激光光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，并在那里发生干涉。若有引力波通过，便会引起时空变形，一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短，这样就会造成光程差发生变化，因此激光干涉条纹就会发生相应的变化。

　　LIGO 从 2003 年开始收集数据。它是全世界最大的、灵敏度最高的引力波探测所。而全世界共有4个引力波探测器，两个探测器部署在华盛顿州汉福德市，一个探测器部署在路易斯安那州利文斯顿市。另外一个探测器位于意大利Cascina地区，是VIRGO计划的一部分。

　　这两套 LIGO 干涉仪在一起工作构成一个观测所。这是因为激光强度的微小变化、微弱地震和其它干扰都可能看起来像引力波信号，如果是此类干扰信号，其记录将只出现在一台干涉仪中，而真正的引力波信号则会被两台干涉仪同时记录。此外，对引力波的检测需要极其高的技术条件：比如隔离真空、隔离振动等。隔离振动包括外部环境致使的振动和内部设备引起的振动。所以，科学家可以对二个地点所记录的数据进行比较得知哪个信号是噪声。

　　直接探测

　　2016年2月11日，LIGO宣布，于2015年9月14日首次探测到引力波，证实了爱因斯坦100年前所做的预测，直接探测到引力波的存在，弥补了爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。科学家花费数个月时间验证数据并通过审查程序，才宣布这个讯息，标志着全球各地研究团队数十年努力的最高潮。

　　能量性质

　　引力波是横波，在远源处为平面波；有两个独立的偏振态；携带能量等。引力波携带能量，应可被探测到 。但引力波的强度很弱，而且，物质对引力波的吸收效率极低，直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波，但未得到公认。天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在 。例如，双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件，在这事件中大量的能量发生剧烈移动（例子包括两颗中子星的对撞，或两个极重的黑洞对撞）。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级应该顶多只有10^-21。以LIGO引力波侦测器的双臂而言，这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。

　　观测意义

　　引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于它能够提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。英国天文物理学大师霍金表示，他相信这是科学史上重要的一刻。“引力波提供看待宇宙的崭新方式，发现它们的能力，有可能使天文学起革命性的变化。这项发现是首度发现黑洞的二元系统，是首度观察到黑洞融合。”

　　传统的观测天文学完全依靠对电磁辐射的探测，而引力波天文学的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

　　因为引力波直接联系着波源整体的宏观运动，而非如电磁波那样来自单个原子或电子的运动的叠加，因此引力辐射所揭示的信息与电磁辐射观测到的完全不同。例如对一个双星系统观测到的引力波的偏振揭示了其双星轨道的倾斜度，这类关于波源运动的宏观信息通常无法从电磁辐射观测中取得。

　　如果比较波长与波源尺寸的关系，宇宙间的引力波并不像电磁波那样波长比波源尺寸小很多，这使得引力波天文学通常不能像电磁波天文学那样对波源进行拍照成相，而是类似声波直接从波形分析波源的性质。 大多数引力波源很难或根本无法通过电磁辐射直接观测到（例如黑洞），这个事实反过来也成立；考虑到一般认为宇宙间不发射任何电磁波的暗物质所占比例要远大于发射电磁波的已知物质，暗物质与外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文学对这些暗物质的观测具有重要意义。

　　引力波与物质的相互作用非常弱，在传播途径中基本不会像电磁波那样容易发生衰减或散射，这意味着它们可以揭示一些宇宙角落深处的信息，例如宇宙诞生时形成的引力辐射至今仍然在宇宙间几乎无衰减地传播，这为直接观测大爆炸提供了仅有的可能。