重力波是什么？爱因斯坦百年前预言13亿光年外的时空涟漪

双黑洞产生重力波想象图

瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔奖授予维斯（Rainer Weiss）、巴尔利什（Barry Barish）和索恩（Kip Thorne），以表彰他们在重力波研究上的贡献。维斯将获得900万元瑞典克朗奖金的一半，巴尔利什和索恩分享另一半。但究竟什么是重力波呢？

2017年诺贝尔物理学奖

维斯、巴尔利什和索恩是雷射干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）的重要成员，领导LIGO进行多次实验后，于2015年9月14日首次观测到来自13亿光年外的2个黑洞所产生的重力波，是人类有史以来第一次证实重力波的存在。

爱因斯坦1916年发表广义相对论时，就已经预测过重力波的存在。在广义相对论发表之前，科学家们一直认为“空间”是恒定不变的，物质和能量存在于其中，不过爱因斯坦的理论指出，实际上空间和能量、质量间都相互有关连，且随着时间的推移，空间也会发生变化。

“重力波”就像是时空中的涟漪，如果把时空想象成一张巨大的橡胶薄膜，有质量的物体会使这张薄膜弯曲，可以想象成在弹簧床上放一颗保龄球，质量越大，时空就会被扭曲得越厉害。

因此根据理论，地球之所以会绕着太阳转，是因为太阳的质量非常巨大，导致其周围的时空改变，当物体直线通过时，实际上路径却会弯曲，也就是“轨道”。

质量物体会造成其周围的时空发生扭曲，就像是把保龄球放到弹簧床上。

假如只存在一个质量物体静止于时空中，它所处的时空就不会发生变化，但若是有第二个质量物体加入，两个物体之间就会相互运动，互相朝对方施加一个加速度；这个过程中会造成时空扭曲改变，进而产生“重力波”。

任何有质量或是有能量的东西都能产生重力波，就算只是两个人彼此绕着对方跳舞，也会产生时空上的涟漪，但这种涟漪太微不足道，根本没有办法探测。因此，必须依靠2个质量非常大的东西进行非常快的运动，才足以产生人类能够探测的的涟漪，例如2015年观测到的双黑洞。

双黑洞想象图

由于重力波会造成空间的伸长或是压缩，因此假设有人拿一把尺测量某两个点之间距离变化，并不能观测出重力波，因为重力波同时也会让量尺的刻度产生变化。但是有一种“尺”并不会被伸长或压缩，那就是“光速”。

科学家想到，若是重力波让某两个点之间的距离被拉长了，光就得花更长得时间才能从A点抵达B点；反之，若两点之间距离被压缩，光传递的时间就会跟着变短。这个想法也就是LIGO实验的出发点。

LIGO由一座2端各为4公里长、相互垂直的“L形”隧道构成，科学家利用雷射测量隧道两端的距离，当重力波发生时，会让L形隧道的其中一端伸长、另一端压缩，透过测量不同的点反射回的雷射干涉条纹，物理学家就能非常精准的测量两者间的距离是延伸还是压缩。为了要能观测出重力波，必须要能分辨出10的23次方分之1程度的长度变化，其精准度高到令人难以想象。

另一方面，由于重力波产生的影响十分细微，很容易就被随机产生的噪音淹没，因此必须拥有相当先进的数据分析技术，才能让科学家将实验中得到的波形，和期望中的重力波波形相互比较，以识别出重力波。这就好比是要在一场非常吵闹的宴会中，听见一首轻轻哼唱的摇篮曲。

LIGO在美国西北部的华盛顿州和东南部的路易斯安那州有两处几乎一样的设施，若是两处设施都观测到同样信号，就能肯定确实观测到重力波。

位于美国华盛顿州的雷射干涉重力波天文台设施。

重力波的发现，不但是对近100年前爱因斯坦广义相对论的再一次证明，同时也代表人类可以用全新的角度观察宇宙；就好比是一辈子都失聪，某天突然间恢复了听力，将可以用全新的方式“聆听”这个宇宙。而每次人类用全新途径观测宇宙时，都会发现那些未曾想象过的新事物。观测重力波，是人类真正寻找我们过去不知道的新事物，探索物理知识的终极尽头。

目前，科学家已经4次捕捉到重力波，除了2015年9月的首次之外，LIGO接着又分别在2015年12月和2017年1月间探测到重力波，实验结果不仅验证广义相对论，同时也为双黑洞系统的成因提供线索。

2017年8月14日，LIGO的两台探测仪和欧洲的一台“处女座干涉仪”（Virgo interferometer），几乎同时（相差数毫秒）在3个地点捕捉到重力波，是目前最新一次重力波事件。

诺贝尔物理奖得主、麻省理工物理学教授魏斯。