什么是引力波 它是怎么被发现的

什么是引力波 它是怎么被发现的

本文核心词：宇宙,相对论,时空,引力波
导读：在本文中，我们将详细谈一谈引力波，以及探测它们的“神兵利器”。
作者：尼古拉斯·米（Nicholas Mee）
来源：华章哇赞
01 引力场的涟漪——引力波
法拉第（见图4-1）认识到，遍布于整个空间的电磁场是电磁力的载体。这个观点改变了我们对物理世界的理解。

▲图4-1 印着法拉第头像的面值20英镑的纪念纸币
后来，麦克斯韦用一组数学方程，阐明了法拉第的观点，建立起电磁统一理论。这个理论告诉我们，光是电磁波，可见光也只是电磁波谱的一部分，除了可见光，还有其他频率的电磁波。
赫兹通过实验证实了无线电波的存在，随之而来的是收音机的发明，以及电视、雷达、手机及许多其他应用的涌现。带电粒子（如电子）如果受到振动，就会发出电磁波。
爱因斯坦富有洞见地用“场”赶走了引力的“超距作用”，解除了牛顿的困境。如同麦克斯韦的电磁理论是电磁学的经典理论，爱因斯坦的广义相对论也是引力的经典理论。广义相对论预言，宇宙中有引力波——连续不断的时空波动。
02 引力场
爱因斯坦在构思他的新引力理论——广义相对论时，打算把场的概念应用到引力上。他成功地做到了这一点。谁想到，这个场竟然就是时空本身。
在广义相对论里，时空就好比是电磁场，物质的质量是电荷。广义相对论预言，大质量物体在猛烈旋转时会产生引力波，由于引力可以用时空扭曲来描述，那么引力波就是时空的涟漪（见图4-2）。

▲图4-2 双黑洞系统发出引力波的示意图
探测电磁波不是什么难事。每当我们睁开眼，或者打开电视、登录无线网，甚至用微波炉热一杯茶的时候，我们就在接收电磁波。但是，探测引力波可没这么容易，因为引力可比电磁力微弱多了。
在我们生活的环境里，引力十分重要，这让我们误以为引力很强。但实际上，只有像行星那样大的一团物质，才能产生明显的引力效果。即便如此，一块小小的磁铁就能与整个地球的引力抗衡，轻而易举地把小铁钉吸起来。
引力是如此微弱，以至于摇晃大质量物体，也只能产生极微小的引力涟漪。只有宇宙中最暴烈的事件（比如超新星爆发、中子星碰撞、黑洞并合）产生的引力波，才有可能被我们探测到。
而且，探测仪器必须非常灵敏：能够测量相距几千米的两点之间距离的变化，这个变化小于质子的千分之一或原子的十亿分之一。虽然这听上去难以置信，但科学家已经造出了这样的仪器。
03 探测时空涟漪
在广义相对论问世100年后，引力波研究终于取得了第一次成功。美国科学家潜心钻研数十载，建成了激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）。
LIGO由彼此相隔3000千米的两套装置组成，一个位于华盛顿州的汉福德，另一个在路易斯安那州的利文斯顿（见图4-3），两套设备必须完全分隔开，才能从本地的干扰信号中辨别出真正的引力波信号。