從愛因斯坦到LIGO ——重溫引力波探測史

包含兩個致密天體（比如中子星或者黑洞）的雙星系統會輻射出高強度的引力波，尤其是在雙星并合的時候。本頁數字模擬圖所展示就是雙星并合的過程。

2016年2月11日，LIGO項目的科學家宣布，他們已經探測到了引力波，這標志著宇宙學和物理學研究將進入新的階段。那么，LIGO是如何探測到引力波的？在此之前，科學家為了實現這個目標又做出過哪些努力？

樂器發出的聲音滿載著信息。聆聽音樂時，我們可以推論出演奏音樂的樂器的種類（如管樂器或者弦樂器）和質地（銅制的或是木制的），我們甚至可以評價樂手技藝的精湛程度。所有這些信息的載體是聲波，這是一種以固定速率向外傳播的空氣擾動。物理學家也借用這個概念來研究宇宙。只不過，在宇宙中傳導波的介質并不是空氣，而是時空；而這種波不再是聲波，而是引力波。

實際上，廣義相對論提出的一個基本假設是，把空間的三個維度和時間維度統一在一起的時空（spacetime）是具有彈性的。就算其中空無一物，時空也可發生振動，而這種振動就是引力波。這種波與樂器發出的聲波一樣，也滿載著信息。這些信息一方面反映了制造出引力波的事件，而另一方面也體現了引力波傳播時通過的時空的性質。物理學家希望，在未來的幾年里，美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）以及意大利VIRGO探測器能獲得來自宇宙的、證明引力波存在的直接證據。（2016年2月11日，LIGO科學合作組織宣布他們已經探測到了引力波。）

愛因斯坦在1916年提出了引力波的概念。起初，引力波曾遭到了物理學家的質疑。從理論的角度看，引力波的存在仰仗的是時空與其他物理實體之間的微妙差異。此外，通過實驗探測引力波是極為困難的。

現在，再沒人懷疑引力波的存在了。引力波是廣義相對論的預言產物，而廣義相對論在20世紀已經被無數的觀測和實驗所證實。此外，一些天文觀測為引力波的存在提供了間接證據。物理學家甚至算出了引力波的一些特征值，比如傳播速度。引力波在真空中的傳播速度等于光速，與廣義相對論的預測一致。

引力的速度

引力以有限的速度傳播，這個性質并不是顯而易見的。這個觀點最初由皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon de Laplace）于1773年提出，與當時的主流理論——牛頓的萬有引力理論是相悖的。在牛頓的理論框架內，不管相隔多遠，兩個有質量的物體間的引力作用是立即發生的。而牛頓的理論相當成功，例如，它可以準確地解釋行星運動的開普勒定律。

拉普拉斯希望借用自己的新理論來解釋一個奇特的天文現象——朔望月（月相變化的一個完整周期）的縮短。我們現在知道，這個現象是由于地球自轉受潮汐力的影響變慢而造成的。而在當時，為了解釋這個現象，拉普拉斯構造了一個與牛頓體系不同的理論模型。在拉普拉斯的理論中，引力反映的是物體發射出的粒子的作用，這些粒子的速度是有限的。拉普拉斯將他的理論預測與觀測進行對照，他發現所謂的“粒子”的速度應該至少是光速的700萬倍（光速大約是每秒30萬千米）。這個速度如此之大，實際上跟牛頓的理論沒有太大的差別。

100年后，蘇格蘭人詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出了電磁學理論，而美國物理學家阿爾伯特·邁克爾遜（Albert Michelson