2016 年 2 月 11 日，在愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)引力波存在的 100 年之后,，由美國(guó)科學(xué)基金會(huì)資助,、加州理工和麻省理工的學(xué)者共同建造和維護(hù)的 LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）宣布,，人類(lèi)首次探測(cè)到了引力波,。

作為過(guò)去一年里科學(xué)界最重大的突破之一，引力波的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人類(lèi)在太空探索的路途上邁出了里程碑式的一步,。

在 2017 年極客公園創(chuàng)新大會(huì)（GIF）上,，LIGO 的 Hanford 觀測(cè)臺(tái)負(fù)責(zé)人 Michael Landry 來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)，分享了引力波發(fā)現(xiàn)前后的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。

（文章部分參考了 Michael Landry 在 2016 年年初在 TEDx 上的演講,，演講主題為「The Universe Speaks of Black Hole Collisions」,。）

400 年前，伽利略把望遠(yuǎn)鏡瞄向了星空,。

之后,，他觀察到了金星的相變，認(rèn)為金星是繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)的而繞著地球,。他觀察到了土星的四顆大衛(wèi)星,，它們也不圍繞地球轉(zhuǎn)。他還看到到了月亮的表面是不平坦的,，和神話(huà)故事里的描述大相徑庭,。

伽利略的觀察到的這些東西都和當(dāng)時(shí)人類(lèi)的所知有很大的區(qū)別，讓人類(lèi)意識(shí)到自己其實(shí)并不在宇宙的中心,，只是一個(gè)更大,、更復(fù)雜的茫茫宇宙中的滄海一粟。

我認(rèn)為,，最優(yōu)秀的科學(xué)發(fā)現(xiàn)可以改變我們對(duì)宇宙的認(rèn)知,，讓我們看到之前從未了解的事物。再比如說(shuō)電磁波譜,，我們可以看到其中的可見(jiàn)光,，但科學(xué)發(fā)現(xiàn)的告訴我們，電磁波譜中還有我們?nèi)庋劭床坏降珔s真實(shí)存在的 無(wú)線(xiàn)電波,、紅外線(xiàn),、伽馬射線(xiàn)。

不過(guò)除了我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的這些,，宇宙中還有很多東西是我們還不了解的,。為了找到這些東西，我們需要設(shè)計(jì)特別的探測(cè)器，更重要的是,，我們需要孜孜不倦的人來(lái)追尋這些宇宙中不為人知的秘密。

我是一名物理學(xué)家,，在 LIGO 工作,。

LIGO 的全稱(chēng)是 Laser Interferometer Gravitational wave Observatory,，即激光干涉引力波天文臺(tái),，我們的工作是尋找引力波,。

在 20 世紀(jì)早期，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論理論,，解決了牛頓的理論體系下一些無(wú)法解釋的問(wèn)題,，并基于該理論提出了一些看上去很怪異的預(yù)測(cè)，比如說(shuō)星光彎曲,、黑洞的存在,、大爆炸以及引力波。

關(guān)于引力波最形象的描述可能就是「時(shí)空漣漪」了。宇宙中,，兩個(gè)質(zhì)量極大的物質(zhì)（比如黑洞）相互高速地環(huán)繞,，會(huì)讓周?chē)臅r(shí)空產(chǎn)生一陣陣的「漣漪」。就像是在平靜的水面丟下一個(gè)小石塊,，水面會(huì)有一圈圈的波紋向外擴(kuò)散,，這時(shí)候水面就是時(shí)空，水的波紋就是引力波,。

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如果我們可以找到引力波,，可以再一次地驗(yàn)證愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的正確性,。此外,，這還可以改變我們認(rèn)知宇宙的方式，這種改變就像是人類(lèi)增加了一種額外的感官,。用激光干涉儀探測(cè)引力波

問(wèn)題是,，引力波太微弱了,。

可以產(chǎn)生巨大引力波的中子星,、黑洞距離我們非常非常遙遠(yuǎn)，以至于在愛(ài)因斯坦提出引力波一個(gè)世紀(jì)之后,，人類(lèi)始終沒(méi)有直接探測(cè)到它,。

上世紀(jì) 70 年代,，科學(xué)家提出了使用激光干涉儀探測(cè)引力波的方法,，而激光干涉儀也是 LIGO 以及世界上其它引力波探測(cè)站目前正在使用的探測(cè)方法,，它的原理大致如下,。

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首先從激光器中發(fā)射出一束頻率非常穩(wěn)定的激光，這一束激光先通過(guò)分光鏡,，然后被分為兩束強(qiáng)度相同的激光,，這兩束激光分別進(jìn)入兩個(gè)互相垂直的干涉臂（LIGO 建造了兩個(gè) 4 公里長(zhǎng)的真空管道），激光光束在抵達(dá)盡頭后,，會(huì)通過(guò)鏡片反射回來(lái),，然后在分光鏡的位置相遇，在這里會(huì)有一個(gè)輸出端口,，用于讀出這兩束激光合并在一起,、產(chǎn)生干涉后的光強(qiáng)。

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通過(guò)控制這兩個(gè)互相垂直干涉臂的長(zhǎng)度,，這兩束激光是可以互相抵掉的,，這時(shí)候輸出端口上我們就無(wú)法讀到光信號(hào)。當(dāng)有引力波通過(guò),，會(huì)引起時(shí)空變形,，一個(gè)臂的長(zhǎng)度會(huì)變長(zhǎng)，另一個(gè)臂的長(zhǎng)度變短,，從而造成光程差,，激光干涉條紋會(huì)因此發(fā)生變化。

從原理上看,，LIGO 的引力波探測(cè)器相比普通的邁克爾遜干涉儀沒(méi)有多少區(qū)別,，但 LIGO 用的激光干涉儀在減震、光源,、數(shù)據(jù)處理上做了大量的改進(jìn),，讓其使用的設(shè)備擁有遠(yuǎn)超之前探測(cè)設(shè)備的精度。

LIGO 有兩個(gè)這樣的 L 型引力波探測(cè)器,，一個(gè)在美國(guó)的路易斯安那州的利文斯頓（Livingston）,，一個(gè)在華盛頓州的漢福德（Hanford ），匯集了 1000 名來(lái)自世界各地的科學(xué)家和工程師,。另外,，LIGO 還和意大利的 VIRGO 探測(cè)站進(jìn)行合作,，后者匯集了 250 名科學(xué)家和工程師。

事實(shí)上,，在 LIGO 使用現(xiàn)在的設(shè)備之前,，已經(jīng)使用了上一代的設(shè)備探測(cè)了十年之久，不過(guò)一無(wú)所獲,。之后,，LIGO 花了四年的時(shí)間改進(jìn)設(shè)備，并于 2015 年將新設(shè)備開(kāi)始投入使用,，隨后就探測(cè)到了引力波,。

第一次探測(cè)到引力波

在 2015 年 9 月 14 日，引力波穿過(guò)地球,，它首先通過(guò)了路易斯安那的引力波探測(cè)器,，7 毫秒之后通過(guò)了華盛頓的探測(cè)器。

在經(jīng)過(guò)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?span>數(shù)據(jù)分析后,，LIGO 得出,，這次探測(cè)到的引力波是兩個(gè)黑洞在互相融合期間釋放出的，這次的融合發(fā)生在 13 億年前,，之后它們發(fā)出的引力波就開(kāi)始向著包括地球在內(nèi)的宇宙各個(gè)地方進(jìn)行傳播,。

這兩個(gè)黑洞的初始質(zhì)量大約為太陽(yáng)的 30 倍，以 0.5 倍光速的速度繞著對(duì)方旋轉(zhuǎn),。二者融合之后,，大約 3 倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量，以引力波的形式釋放出來(lái),，瞬間的功率超過(guò)了宇宙中所有恒星的功率之和,。當(dāng)然，這些能量并不是以光的形式釋放的,，而是全部以空間形變的方式,。

在對(duì)探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行處理后，我們可以直接用聲音的方式聽(tīng)到引力波,。在下面的這段視頻中,，首先你會(huì)先聽(tīng)到探測(cè)器的噪音，然后你會(huì)聽(tīng)到聲音的頻率不斷提高,，這段聲音對(duì)應(yīng)的就是兩個(gè)黑洞從互相旋轉(zhuǎn)并合并的狀態(tài),。視頻中會(huì)聽(tīng)到兩段聲音，第一段是探測(cè)器探測(cè)出來(lái)的真實(shí)聲音頻率,，它的音調(diào)比較低,，不太明顯，第二段聲音中，我們提高了聲音的頻率,，可以更容易地聽(tīng)到,。這是人類(lèi)第一段來(lái)自引力波的聲音，在 12 月 25 日,，我們第二次探測(cè)到了引力波,，這也是兩個(gè)黑洞融合時(shí)產(chǎn)生的，不過(guò)這次的強(qiáng)度要明顯比第一次低一些,。

這一次成功探測(cè)讓我們無(wú)比興奮,，它讓引力波天文學(xué)終于可以正式被確立，而我們是最早的見(jiàn)證者,。

在愛(ài)因斯坦預(yù)測(cè)了引力波存在一個(gè)世紀(jì)之后,，我們終于直接探測(cè)到了引力波。在這一過(guò)程中,，我們還探測(cè)到了一種像恒星一樣質(zhì)量巨大的新型黑洞（質(zhì)量比任何用 X 光探測(cè)到的黑洞都要巨大）,。并且還證明了成對(duì),、并互相融合的黑洞是存在的,。

我們對(duì)引力波成功的探測(cè)擴(kuò)大了我們的視野，在探索宇宙未知世界的又邁出了一步,。此外,，它還正面了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是正確的，把我們探測(cè)到的引力波波形狀態(tài)和廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù),，我們不要再額外尋找任何的數(shù)學(xué)理論依據(jù),。

除了這兩次成功的探測(cè)，我們還探測(cè)到了另外一次可能的引力波,，但由于信號(hào)過(guò)于微弱,，我們還不能完全確定。

未來(lái)每天都能探測(cè)到引力波,？

在未來(lái)的數(shù)年里,，我們會(huì)繼續(xù)提高探測(cè)設(shè)備的靈敏度。

如果未來(lái)兩年內(nèi)我們?cè)O(shè)備可以達(dá)到了規(guī)劃的靈敏度,，我們每天都可以探測(cè)到一次兩個(gè)黑洞的融合,。有了更靈敏的設(shè)備，我們還可以探測(cè)到中子星的彼此融合,。中子星是恒星演化到末期,，重力崩潰發(fā)生超新星爆炸之后形成的星體，成功探測(cè)后,，我們會(huì)對(duì)原子核物理學(xué)中的極端材料有更多的了解,。

我們還會(huì)將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡,，伽馬射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡加入到探測(cè)系統(tǒng),，或許用不了多久,，我們就會(huì)有很多之前完全未曾想象的發(fā)現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)了過(guò)去幾百年的發(fā)展,，我們對(duì)行星,、銀河系、塵埃,、光,、亞原子等宇宙中的元素已經(jīng)有了很多的理解，但我們所理解的東西可能只占到了 5%,，還有 95% 的東西,，比如暗物質(zhì)、暗能量,，是我們現(xiàn)在未曾了解的,，這樣一想我們還挺無(wú)知的。

當(dāng)伽利略把那臺(tái)設(shè)計(jì)很原始的望遠(yuǎn)鏡瞄向星空后,，未來(lái)的幾年里,，他就徹底改變了我們對(duì)自己和世界的認(rèn)知，也就是從那時(shí)候起,，我們?cè)O(shè)計(jì)了很多更靈敏,、更優(yōu)秀的天文望遠(yuǎn)鏡。

而現(xiàn)在就是引力波天文學(xué)的開(kāi)始,，我們已經(jīng)成功探測(cè)到了引力波,，未來(lái)，我們會(huì)設(shè)計(jì)更優(yōu)秀的引力波探測(cè)器,，我們對(duì)宇宙的了解方式將從原來(lái)的「看」這一點(diǎn),，轉(zhuǎn)變?yōu)椤缚础购汀嘎?tīng)」兼具。