世纪发现：引力波与爱因斯坦完美拥抱

2016年2月10日，美国科学家宣称，位于华盛顿州和路易斯安那州的激光干涉引力波天文台(简称LIGO)已成功探测到引力波。消息一经传出，全球科学界立即引起了轰动，这是世纪性的、革命性的、振奋人心的重大发现，可以类比百年前的人类发现电磁波。人类科学研究从电磁波时代进入引力波时代，我们将从全新的探测窗口倾听宇宙的“歌唱”。电磁波的应用与开发产生了无线电通讯，这彻底改变了人类交流与沟通方式，进一步引发今天的信息革命时代来临。一旦未来的引力波通讯技术开发成功，可能引导人类进行跨越星际的交流，帮助人类尽早走出地球家园。

1.LIGO如何探测到引力波？

激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory -- LIGO) 是美国建设的大型引力波激光干涉仪，由加州理工学院和麻省理工学院负责运行，分别坐落在美国北部的华盛顿州和南部的路易斯安那州，南北距离约2000多公里;干涉仪臂长3公里和4公里、呈垂直布置。 一旦引力波闯入地球，引发时空震荡，造成时空距离变动，这将让干涉仪的干涉条纹变化，依此确定引力波强度。在引力波寻觅的征途上，欧洲、日本和澳大利亚也不甘落后，他们相继建设各自的探测器，苦苦等待引力波投来激动的涟漪。依据爱因斯坦理论推算，在几千光年距离远的黑洞或中子星合并事件，其引力波强度可以被LIGO测到。

据推算， 本次宣布的引力波直接探测，其信号来自距离地球13亿光年的双黑洞的合并事件，持续时间约20毫秒。两个互相缠绕运动的黑洞质量大约相当于30个太阳，它们在最终的毁灭性碰撞合并时发出引力波爆发，此发现的探测时间是2015年9月14日(引力波事件编号GW150914)。

2.什么是引力波？

爱因斯坦的广义相对论(GR)在1915年提出、于1916年发表，这是关于引力场中物质运动的规律描述， 而引力场是控制宇宙万物的四个基本相互作用之一， 有物质就有引力场。 诸如， 地球上的苹果为什么下落？为什么月球围绕地球、地球围绕太阳运动？这些就是案例万有引力现象。牛顿引力定律只是低速度描述引力场的近似，而爱因斯坦给出更加完美的方程; 牛顿无法给出引力波概念， 因为其方程不能提供辐射的解。类比电磁波，有助我们概念的简化，现象生动理解引力波的含义。 GR的引力场方程可以获得如同电磁场一样的传播解， 其波动传播速度是光速， 依此爱因斯坦预言了引力波的存在。

不同于电磁波， 引力波是物质能量剧烈加速变化引起时空形变的传播;电磁波的源泉则是电场和磁场的震荡传播。但是两者的传播速度是一样的，都是光速， 即每秒30万公里(比较地球月球距离38万公里)。 此外，引力波的震荡模式(偏振)与电磁波稍有不同。

3.引力波如何产生？ 为什么引力波的探测那么难？

引力波发生在一个巨大的天体突然加速运动，就像当恒星的超新星爆发时，或者当两个巨大的星体发生碰撞，或者两个致密星体合并，诸如中子星与黑洞这类星体碰撞与合并。由于距离遥远，引力波能量的信号非常微弱。现在LIGO探测器检测的精度相当于，在北京观测上海的分子运动，其难度可想而知。近100年来， 全球科学家一直翘首以待这一宇宙物质的波动光顾地球。 然而，寻找世间微弱的奇迹，谈何容易，各种大型引力波探测器在世界各地建设，美国引力波激光干涉仪LIGO堪称之最。 引力波微弱的原因可以类比电子与质子相互作用， 两者的电力相当于其引力的10亿倍， 所以引力波即使存在，也是难于探测。

4.引力波的探测主要有哪些方法？

由于引力波爆发引起时空震荡，使得物体产生微笑抖动，所以引力波触发微小时空变化。 诸如，黑洞合并时，引力波激光干涉仪LIGO感受干涉臂的震动; 脉冲星在引力波作用下轨道变小，脉冲星阵列的监测可以反映引力波穿过时的漂移，引力波损失动量可以导致脉冲星转动速度饱和， 等等。 对于上述现象的观测和监测，让我们判断引力波的存在。 1974年，美国天文学家赫尔斯和泰勒，利用阿雷西博305米口径射电望远镜， 观测到双中子星系统的轨道收缩，虽然每年3厘米的轨道变化，这与爱因斯坦预言一致。 由于他们间接证实引力波存在，于1993年获得诺贝尔物理学奖。

5.本次引力波发现的可信度有多少？

本次宣称的引力波发现，是南北距离两千多公里的两个激光干涉仪的同步探测结果，但是我对此有90% 的可信度。那么，10% 的质疑是什么？其一，在美国LIGO获得引力波信号时，欧洲引力波设备VIRGO没有反应，缺少相应的佐证信息; 其二， 引力波信号出现时，多个卫星探测器在空间工作，也没有发现宇宙深处的Gamma射线爆发，X-射线爆发，而地面光学与射电望远镜也没有发现超新星爆发和射电爆发事件。所以，LIGO的引力波发现还没有外部佐证事件，这将被诟病为孤立的“自证”发现事件。 这需要进一步等待新的引力波信号到来， 再次证实其发现的可靠性。1979年，美国马里兰大学物理学家宣称发现引力波，一时间轰动世界，但是之后的质疑声音不断。当时的铝锭探测器，灵敏度较低，现在看来那时很难探测微弱的引力波信号。两年前， 也曾有人宣称发现了引力波，可是后来的仔细审查发现其误差超过了预期。

6.LIGO探测到引力波的意义何在？

引力波的发现将是物理学100年来最大的突破之一。到此， 爱因斯坦全部预言获得验证， 引力波曾经间接被发现，但是直接探测这还是首次，这为爱因斯坦理论画上完美句号。

引力波的证实是GR的最后一个“拼图”， GR的其它几大验证早就被实验所证明， 包括：水星近日点进动、光线在引力场偏折、引力红移、雷达回波时间延迟、黑洞、自旋进动。

电磁波动的宇宙背景在1960年代发现，引力波在时空背景波动的发现，将深化我们对宇宙的了解，进入引力波天文学时代。 引力波的发现好比百年前的电磁波发现，这将是世纪重大发现事件，将深远影响人类未来。 引力波通信可以与遥远的宇宙实施联络，而减少干扰;由于电磁波受到大气层等离子体干扰、太阳风干扰、以及银河系电荷干扰，所以电磁信号传输距离有限。

回想一百多年前，英国科学家法拉第和麦克斯韦提出和创立电磁理论， 预言电磁波的存在。电磁波是电磁偶极子器件震荡，导致电磁场在空间以光速传播。德国科学家赫兹首先实现和证实电磁波的发射接收，其后意大利科学家马可尼发明无线电报，美国科学家莫尔斯发展了有线电报。今天，我们的手机、广播电视，全是电磁波通信，这彻底改变了人类的信息交流方式。 引力波是物质时空的振荡，传播速度与电磁波一样，但是它是物质加速运动造成的时空能量波动，而不是电磁场的波动， 所以不受宇宙到处分布的电荷干扰。可以设想，高度文明的外星人已经使用引力波通信技术，进行星际通讯传播信息，可惜地球人类无法接收其信号;而我们的电磁信号即使传到其它星球，也可能信息失真，这导致我们彼此在茫茫宇宙中互相寻找，不得知己。

现在，太阳系已经走完45亿年历史，太阳寿命只有100亿年，因此逃离太阳系是未来人类必须解决的问题，否则人类将与太阳一起在末日的燃烧中终结。 假如借助引力波通讯技术，接收高智慧的外星人信息，人类获得更多宇宙的知识，他们将教会我们如何到宇宙深处找到新的家园，逃离地球的险恶环境。 在21世纪， 我们可能“倾听”外星人的引力波“歌唱”，或许未来与外星人汇合。