图片来源@视觉中国
文 | 根新未来
1916年，爱因斯坦发表论文，预测了引力波的存在；一个世纪后，2015年9月14日，位于美国华盛顿州和路易斯安那州的“先进LIGO”激光干涉仪首次探测到了黑洞合并事件，人类终于成功探测到的引力波信号GW150914。
两年后，2017年10月3日，由于在引力波领域的突出贡献，美国麻省理工学院雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、加州理工学院基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）被授予2017年诺贝尔物理学奖。
刘慈欣的小说《朝闻道》中，掌握宇宙终极理论的外星文明“排险者”造访了地球，至于排险者如何得到这本终极真理，答案就是引力波。可以说，引力波的证实开启了一个全新的时代，如今，随着对于引力波研究的日渐深入，以光速传播扰动时空也让人们离宇宙真理更近。
时空弯曲的涟漪
引力波，来源于爱因斯坦的广义相对论。如果爱因斯坦的狭义相对论发现物质和能量是等价的，那么广义相对论则宣告运动中的物质决定了时空的形状。引力波的专业说法是：四维时空曲率的扰动以行进波的方式向外传递的一种方式，所以引力波更应该叫曲率波。简单来理解，引力波就是时空弯曲的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播。
如果说牛顿的理论是“质量告诉引力场如何形成，引力场告诉质量如何运动”，那么广义相对论则是“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动”。爱因斯坦之所以伟大，就在于他两次改变了人类对时间和空间的思维范式。第一次他告诉我们时空一体，同时相对，第二次则告诉我们时空是弯曲的。
至于时空为什么会弯曲，爱因斯坦认为，基于广义相对论，在非球对称的物质分布情况下，物质运动，或物质体系的质量分布发生变化，即物质分布改变时，时空也会相应变化，这一变化会以波动的形式以光速传播，即引力波。
比如，在一个平静的湖面上放一个皮球，皮球之下的水面就是一个弧形，这就叫物体质量引起时空弯曲；但此时湖面仍然是平静的，并没有什么水波出现。我们在旁边再放一个皮球，只要不动它，仍然没有水波出现。但如果两个皮球在湖面互相绕着转动，湖面就会产生水波向外传播——如果我们把湖面视作时空，那么，湖面产生的水波就是时空的波动，也就是引力波。
试想一下，在宇宙的某个地方，两个黑洞发生了碰撞。在碰撞发生前的最后几秒钟里，它们在引力作用下一起绕着最终接触点完成了数千次的旋转，使时空发生了剧烈振荡。碰撞之后，这两个黑洞合并到一起，形成了一个更大的黑洞。黑洞合并时，无数能量则以纯引力，也就是引力波的形式，不停地向四周传播，时空受到扰动而泛起涟漪——这种高强度的引力波，总有一天会传播到地球。
当然，根据广义相对论，引力波在传播过程中是不断衰减的，也就是时空一弯一曲地从黑洞合并处向外传播，刚开始弯曲扰动得特别厉害，但传得越远对时空的扰动就越小。假设合并的黑洞距离地球10亿光年，这也是为什么引力波到了地球就衰减得难以测量，对地球物体产生的变形也微乎其微的原因。
当引力波还在黑洞附近时，假设它们的强度为1，就是说，物体有多大，它就把物体拉伸或压缩多少。然而，到达地球时，引力波的强度将减小到约（1/30黑洞周长）/（波经过的距离）。对一个10亿光年远、10个太阳那么重的黑洞来说，引力波强度为（1/30） （180千米的黑洞周长）/（到地球的10亿光年） 10-21。因此，它使地球海洋发生的形变就为10-21 （107米的地球大小）=10-14米，仅仅是原子核直径的10倍。
想在地球汹涌的海洋上测量这么微小的潮汐是完全没有希望的。不过，通过周密设计的实验室仪器来测量引力波的潮汐力，还是有希望的——那就是引力波探测器，即利用光的干涉原理，观察引力波造成的干涉波形图样。在引力波的影响下，会出现微小的光波波形变化，这时光探测器就能感应到干涉条纹的变化。
