引力波——来听听宇宙的“交响乐”
序言
当我们仰望星空时，我们看到的是恒星、行星和星系等。它们大多可以被我们通过肉眼观察到，我们称其为重子物质，重子物质是可以通过在空间中运动引起时空的涟漪的物质类别之一，而这时空的涟漪便是神秘的“引力波”。
1.引力波的提出
1916年，爱因斯坦提出了广义相对论，建立了如下形式的爱因斯坦引力场方程：
该方程在弱场近似下的无源时空中存在着波动形式的解，即预言了引力场中“引力波”的存在。在广义相对论的框架下，“时空”如同蹦床，存在于时空中的质能可引起时空的弯曲；当大量的质能在时空中以特定形式运动时，这种弯曲便如同波一样传播开来，这就是“引力波”的本质。
作为现代物理学的基石之一，广义相对论所进行的预言无比重要，在过去的几十年中，物理学家一直在试图证明它们的正确性，但引力波的存在却一直没有得到直接的观测证据。因此，引力波的探测是证实广义相对论正确性的重要途径，也是我们研究引力和时空作用的重要方法。
2.难以“捉摸”的引力
在引力波提出后，如何探测引力波便成为了巨大的难题；引力波的探测存在理论与实验两大方面的难题，对于理论层面，有如下的两大难题：
一、描述了引力波的解是考虑特定坐标变换而得出的，因此引力波可能只是一种虚假的坐标效应，而非引力场的固有性质。
二、引力波不一定从其发射源带走能量，单纯的、无能量的时空波动无法被探测。
以上两点直到20世纪50、60年代才被逐一解决。
20世纪50年代，物理学家建立了严格的、与坐标选择无关的引力辐射理论，并求出了该理论下严格的波动解，证明了引力波的存在是引力场的固有性质。
20世纪60年代，物理学家在研究零曲面上的初值问题时严格证明了引力辐射是含能辐射，其会带动有质量的物体在空间中运动，即证明了引力波的可探测性。
自此，引力波的探测计划才被提上了日程。
3. 探测引力波：从直接到间接的尝试
为了探测引力波，科学家们进行了长期的努力。1962年，世界上的首类引力波探测器，即“共振棒”探测器由物理学家Joseph Weber领导的团队设计建成，标志着人类对引力世界探索的开端。
（共振棒结构示意图）
这种早期的引力波探测器存在着诸多问题，如灵敏度低、探测频带过短等等。1969年6月，该课题组宣称探测到了引力波的存在，但很快被证明是干扰信号。
经过无数次改进，“共振棒”引力波探测器最终被认为并不能有效地探测到引力波信号，它们自20世纪80年代起被逐步关闭，对引力波的直接探测自此陷入沉寂。
虽然直接探测的领域挫折不断，但物理学家在对引力波的间接探测领域取得了重大的突破。在这个领域取得的突破主要源自对脉冲双星系统PSR 1913+16的观测。
在长达十四年的观测中，物理学家Joseph Hooton Taylor与他的学生Russell Alan Hulse发现：两颗脉冲星互相绕转的轨道半长轴正有规律地逐渐缩短。这一表现及具体数据与广义相对论的预言高度一致，说明了该系统的总能量在逐渐被引力辐射带走，这便是人类历史上首次发现引力波存在的间接证据。
观测数据（点集）与广义相对论预言结果（曲线）
4.引力波的现身：探测原理与初步成果
随着探索的不断进行，科学家们建造了一座又一座的引力波探测器，利用了激光干涉技术的激光干涉引力波天文台(LIGO)，以测量引力波引起的光的干涉条纹的微小伸缩作为原理，第一次真正捕捉到了引力波存在的信号。
干涉，是一种常见的光学效应，利用光的特性我们可以测得引力波。LIGO探测器由两个相互垂直的长臂组成，即干涉臂，每条臂长4公里。单光源发出的光由分光镜分为相互垂直的两束，进入两条干涉臂中；这一束光会在干涉臂末段被反射回分光处；由于两束光是同源的，它们的波相位相同，只会发生相长干涉。当引力波通过时，两束光会由于时空变化产生相位变化，这一变化使两束光产生了相位差，从而产生可被探测器捕捉的干涉条纹，对这类干涉条纹的检测便可以捕捉到引力波信号。
是不是有点难以理解，不慌，让我们来打个比方：
想象一下你站在平静的湖边，湖面上有一片平静的水面。你手里拿着两根平行的测量棒，一根在你的左手，一根在你的右手。这两根棒代表 LIGO 的两条垂直的干涉臂。现在，湖面上突然传来一阵涟漪，就像一波引力波经过。这波动开始微微地扭曲湖面，而这个“湖波”就是引力波通过时对空间的微小变化。你发现，当涟漪通过时，湖波的影响使得你的两根测量棒的长度微微发生变化。这就好像在LIGO中，引力波通过时，空间的微小变化引起了光程差的改变，就像湖波影响了你手中测量棒的长度。
（激光干涉引力波天文台的基本构造）
LIGO与类似的VIRGO、GEO600等属于第一代激光干涉引力波探测器，它们的灵敏度仍有欠缺；2015年上半年，LIGO接受了一次全方面的升级，成为第二代的“aLIGO”，其测量灵敏度高于在该尺度下一般引力波所引起的10 -19m量级的空间变化。
aLIGO投入运行几个月后的2015年9月14日，它便探测到了由一个36倍太阳质量的黑洞和29倍太阳质量的黑洞合并产生的引力波；这一引力波事件被命名为GW150914。自那以后，LIGO等探测器又多次探测到了引力波，这些结果不仅证实了广义相对论的正确性，也为我们打开了一扇探索宇宙的新窗口。
随着对引力波研究的逐步深入，科学家们进一步地了解黑洞、中子星这些极端天体的性质和行为，有了探测宇宙的起源和演化的窗口，乃至进一步地揭示引力和时空的本质，这些进展尤其对量子引力理论、弦理论、超引力理论的研究贡献巨大。
可以说，对引力波的探测为人类打开了通向宇宙学最深处之奥秘的大门，为空间科学等相关领域的发展做出了巨大且不可替代的贡献。
结语
引力波是宇宙中的乐章、星际间的交响，她振荡于深邃的星空，徘徊于寰宇之间。这被爱因斯坦广义相对论预示的时空涟漪，已经成为现代物理学的基石。然而，引力波的探测曲折艰辛，从一筹莫展到利用激光干涉技术、LIGO等设备首次捕捉到引力波信号，一代代科学家的精进与钻研将现代物理带入了引力波时代。引力波的发现，不仅是广义相对论的印证，更为空间科学带来无法估量的贡献，为人类在宇宙深邃探寻的旅程续写新的篇章。
作者：周思益,天音,郭潇
来源：石头科普工作室
编辑：Serendipity
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