引力波被发现 探索 | 引力波是如何被发现的？

13.4亿年前，在离地球非常非常遥远的地方发生了一件大事。这可以算是宇宙毁灭者柯南的大灾难。然而，它不同于地球上的任何灾难，不同于小行星撞击，小行星撞击会发生剧烈爆炸，随后是地震、海啸和火山爆发。这场灾难在宇宙中悄然发生。如果你在附近，你甚至看不到耀眼的光。

因为发生的是两个黑洞相撞。它们很大，一个质量36个太阳，一个质量29个太阳。它们在宇宙中彼此快速旋转，逐渐接近，就像被吸进下水道的漩涡一样。由于黑洞巨大的引力，它会在空周围拖曳，造成这种变形和扭曲，在旋转的同时释放出阵阵引力波。

引力波向外传播，以光速传播。因为引力波是空之间的振荡，没有什么能阻止它。然后，以光速行进13.4亿年后，到达地球。13.4亿光年的距离让引力波的能量衰减非常严重。当它穿过地球和我们每个人时，我们不会有任何感觉。

然而，地球上的一群科学家一直在期待着它。他们为此设置了巨大的设备，等待了很久，期待着。拜托，任何引力波都可以过来。于是2015年9月14日，屏幕上的图像一跳，接收到了引力波。那里的科学家不敢相信，经过反复验证，终于在2016年2月14日发布消息。引力波首次被人类证实。到目前为止，爱因斯坦广义相对论的所有预言都得到了验证。

它是由激光干涉引力波天文台发现的，其英文首字母缩写为LIGO。1992年开始规划，1999年底完成。十年中间什么都没发现，2015年又升级了。引力波是在几个月内发现的。可以看看下图。这个设备非常巨大，就像一个巨大的正方形。两条垂直激光通道长3000米。从头到尾跑，相当于在操场上跑了10圈。

因为引力波压缩了空之间的空间，当引力波经过的时候，会把这么长的通道压缩的稍微小一点，然后就可以和另一个没有压缩的通道相比较，这样就可以知道这个时候到底短了多少。这是确认是否有引力波的方法。问题是如何测量通道长度的变化。是用尺子量的吗？用尺子是不可能的，因为尺子本身会随着空之间的压缩而被压缩，尺子和通道会一起缩短，最后测出来没有变化。

这就是为什么我们用激光来测量。光速是不变的，不会随着空之间的变化而变化，所以我们只需要知道光从一端到另一端所花费的时间是否发生了变化，就可以知道距离是否发生了变化。这就是为什么这个通道这么长。一个原因是引力波已经很弱了。频道就像天线。信号越长越好；还有一个就是，毕竟需要激光测量。如果光度太快，通道太短，就太难测量了。实际上，激光是从两个通道的交点发出的，然后到达两端会反射回来再次相交。只要到位，就可以互相验证距离是否缩短。

用这种方法可以测出距离的微小变化。有多小？它可以小到一个质子的千分之一。你可能想不到准确率有多高。我可以举个更生动的例子。如果把千分之一的质子放大到蚂蚁那么大，你能想象3000米的激光通道会放大多少吗？有地球那么大吗？不。它和太阳系一样大吗？不，这还不够。答案比银河系的直径还大。在银河系中很难找到一颗行星，而LIGO相当于观察一只蚂蚁的大小变化。

正是因为精度要求高，所以测量时周围不应该有其他干扰，如果周围有汽车和火车经过，精度会受到影响。所以建在一片荒芜的荒地上，一建就建了两个。这两个LIGO相距3000多公里。你可以看看下图，几乎是在歌颂整个美国。这样就可以互相认证了。如果只有一个探测到了波动，另一个没有，那么很可能受到了干扰，但是如果两个都同时探测到，那么就不太可能受到干扰，很可能是引力波。

不知道大家听历史或者看纪录片的时候有没有这种感觉。某个时期发生的事情，代表着某个时代的到来。比如18世纪瓦特改进蒸汽机，代表工业革命时代的开启；爱迪生在19世纪末发明了电灯，这代表了电气时代的到来。20世纪40年代，第一颗原子弹爆炸，标志着人类进入了核能时代。总觉得生活在那个时代的人很幸运，亲眼目睹了改变世界的事情，而生活在那个时代的人却很平淡。

也许你不清楚，引力波的发现是一件可以载入史册的大事，很有可能是代表新时代到来的大事。上一期我们也讲了原因，因为引力波的发现代表着人类终于有了一种超越电磁波观察宇宙的方式，很多以前无法发现的秘密现在都有了可能。

当然，如果我们想对宇宙有更深入的了解，光有LIGO是不够的。引力波在传播过程中衰减太快，就像这次探测到的引力波一样。甚至黑洞碰撞如此剧烈的宇宙现象，释放出来的引力波只有到达地球时才能被如此精密的仪器探测到，可见这件事的难度。如果想探测更细微的引力波，只有两种方法，要么实现更短的距离，不是现在的千分之一质子，而是万分之一或十万；另一种方法是加长激光通道，相当于测量精度翻倍。

不可能探测到更小的距离变化，而且量子级越小，只能把激光通道放大。因此，科学家们制定了一个新的计划，将引力波探测器放入太阳能电池空。这种引力波探测装置被称为进化激光干涉空天线间，英文缩写为eLISA。它形成的激光通道可以相当长。它由三个相同的航天器组成，通过激光相互连接，形成边长为500万公里的等边三角形。

它们不像卫星一样绕着地球转，而是和地球一起绕着太阳转。你可以看看下图，是eLISA的想象图。如果没有其他事情发生，按照计划可以在2034年投入使用。应该有无数的新发现等着科学家。

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