百年引力波的 前世今生

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[1916年，一篇论文发表在德国的《物理学纪事》上，给接下来的100年带来了涟漪。这篇论文的作者是阿尔伯特·爱因斯坦，题目是《广义相对论的基础》。]

1916年，一篇论文发表在德国的《物理学纪事》上，给接下来的100年带来了涟漪。这篇论文的作者是阿尔伯特·爱因斯坦，题目是《广义相对论的基础》。

一百年后的2016年2月11日，美国东部时间，国家科学基金会(nsf)与加州理工学院、麻省理工学院和科学合作组织ligo的科学家一起宣布，ligo在去年9月14日首次探测到引力波，这证实了爱因斯坦100年前的预测，弥补了广义相对论实验验证中最后一个缺失的谜团。

在过去的100年里，引力波的存在一直困扰着物理学界，甚至数次影响诺贝尔物理学奖的归属。

什么是迟来的引力波？

广义相对论是爱因斯坦最自豪的成就之一。爱因斯坦曾经说过一句话:“如果我找不到狭义相对论，五年内就会有人找到它；但如果我找不到广义相对论，50年内就没人能找到它。”

不幸的是，尽管爱因斯坦在20世纪20年代因其相对论多次获得诺贝尔奖提名，但谨慎的诺贝尔奖组委会却未能以此为由给爱因斯坦颁奖，因为当时人们对相对论有很多疑虑，也没有足够的实验验证。1921年，爱因斯坦因其广义相对论而闻名，他的声音如此响亮，无人能及。然而，诺贝尔奖组委会仍然无法决定授予相对论奖。因此，1921年诺贝尔物理学奖甚至被空错过了一年。当爱因斯坦最终在1922年底获得1921年重新颁发的诺贝尔物理学奖时，他选择的理由是爱因斯坦最可靠的成就，这一成就用《关于光的产生和转换的启发性观点》一文中的光量子假说解释了光电效应。(以上论文发表于1905年。同年，爱因斯坦还发表了几篇论文，其中最著名的有质量能量方程:E = MC ^ 2和狭义相对论。有人评论说，仅今年爱因斯坦就以他的成就获得了三项诺贝尔奖。(

如今，引力波已经被发现，这再次证明了广义相对论的重要性。那么，引力波到底是什么？为什么要花一百年才能发现它？

事实上，人们的直觉无法理解广义相对论的许多推论。其中之一是，在广义相对论中，重力归因于时间的弯曲空.这意味着我们通常看到的空看起来是直的，但实际上，它像镜子一样扭曲。这种变形是由物质引起的，质量越大，变形越大。然而，在空时间里的观察者会随着空时间一起被扭曲，而且扭曲的程度太小，所以人类不能直观地感觉到这种扭曲。但是我们看到的平面不一定是物理意义上的“平面”。

我们可以把宇宙想象成一个蹦床，它是平的，没有任何扰动。但是当有质量的东西出现时，比如一个鸡蛋，一个孩子来到操场，或者一个像地球一样的巨人，它就会弯曲。根据广义相对论，重力的本质是由这种弯曲引起的。(当一个物体运动时，它会寻找最短的路径，即“在没有外力的情况下保持直线运动”。然而，由于空绕着一个巨大物体的扭曲，我们看到的“直线”不一定是最短的路径。因此，物体将改变它的运动路径，在观察者看来，这就像是一个使它偏离直线的力。这个力就是重力。(

如果只是弯曲也没关系。但是如果这个巨大的物体发生变化——鸡蛋被吃掉，孩子跳开，或者地球爆炸——蹦床就会开始振动，这就是所谓的引力波。当然，我们感觉不到它跟着振动。

对于那些不喜欢被地震扰乱睡眠的人来说，感觉不到宇宙的振动是一件快乐的事情。但是物理学家不这么认为。他们需要感受振动来证明他们真的了解宇宙。然而，在过去的100年里，虽然许多证据，如对水星近日点运动的观察，已经证明了广义相对论的准确性，但引力波，广义相对论最直接的推论，却从未被观察到，这一直是一个主要的缺点。根据一些记录，著名的量子专家费曼1962年在华沙参加广义相对论研讨会时，在给妻子的信中情不自禁地写道:“我从会议中什么也没得到。”我什么也没学到。因为没有实验，这是一个没有活力的领域，几乎没有顶尖的人来做这项工作。”

事实上，在20世纪60年代，马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯声称他已经探测到了引力波，但是由于反复实验，这一发现没有被认可。从那以后，对引力波的探索从未停止过。

2016年，ligo的发现改变了引力波探索的历史。难怪物理学家为此哭泣。

专注的美国大学和慷慨的国家科学基金会

"它艰难、严谨、缓慢，令人震惊、具有革命性和催化性."

在发现引力波之后，麻省理工学院的校长拉斐尔里夫评论了基础科学研究的价值。这也是事实。引力波被预言会被发现，并且花了100年。光是ligo研究人员就花了30多年才在0.2秒内检测到信号。

据媒体报道，20世纪80年代，麻省理工学院的赖纳·赖纳维斯教授提出了用激光干涉测量引力波的方法。加州理工学院的物理学教授Ronalddrever也提出了这个想法。在加州理工学院费曼理论物理学教授基普索恩的参与下，加州理工学院和麻省理工学院合作并领导了ligo的建设。从那以后，ligo成为美国自然科学基金会资助最多的项目之一。

ligo的原理是什么？假设我们有两个短跑运动员在任何情况下都以相同的速度跑，那么如果跑道的长度由于引力波的干扰而改变——就像蹦床表面由于力的作用会向一个方向伸展一样，他们从两条长度相同的跑道跑回来的时间会有一点点的不同。我们知道空确实在震动。在ligo，科学家们使用同源激光作为短跑运动员，试图找到不同方向的空之间的变化。

然而，要观测的空之间的变化不是那么简单，振动的幅度太小，而且它还受到外部环境的干扰，这使得很难观测到有价值的数据。ligo建成后，经过多次升级，灵敏度不断提高。在ligo最终发布的观测结果中，两个太阳质量为29倍、太阳质量为36倍的超级恒星黑洞在10亿光年之外合并，只带来了0.2秒的信号。位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿汉福德的利戈同时观测到了这个信号。经过反复验证，结果在四个月后公布。

对于这个0.2秒的信号，不仅无数的研究人员付出了大量的时间，而且国家科学基金会也为此付出了大量的金钱。据记载，1999年ligo建成时，造价超过3亿美元；从那以后，ligo经历了多次升级，最近的一次大约花费了20亿美元。

国家自然科学基金慷慨投资的回报再次证明它是世界上最成功的国家科技管理机构。这个美国联邦机构自1950年成立以来，一直慷慨而审慎地投资于科学研究。

值得一提的是，国家科学基金会的预算需要由国会审查。因此，国家自然科学基金的一项非常重要的任务是向公众披露资助计划，同时通过互联网发布有价值的相关信息，让公众了解其投资的意义。这种运作模式使其能够更顺利地通过国会的严格审查。据报道，2015年2月，美国总统巴拉克·奥巴马(Barack Obama)向国会提出，2016财年R&D联邦预算总额为1460亿美元，比2015年增加80亿美元，其中77亿美元投资于国家科学基金。

引力波的误解与期待

引力波的发现如此激动人心，以至于它在社交媒体上迅速传播开来。这项花费数十亿美元、耗时数十年的发现，不可避免地会让公众有更多的期待。

然而，在社交媒体的传播中，引力波不可避免地会被误解。

例如，有一种说法认为引力波可以带来超光速通信的可能性。即使媒体评论引力波，“它带来了时间空旅行的可能性。”

然而，物理学家指出引力波也以光速传播。因此，它不能直接带来“超光速通讯”或“时间空旅行”。

听到这样的答案，许多人可能会感到失望，有些人甚至开始质疑花这么多钱和精力来探测引力波是否值得。

对此，ligo科学合作组织成员、德国马克斯·普朗克引力物理研究所和清华大学博士后胡一鸣可能会给出一个解释。据《科技日报》报道，当被问及引力波的实际意义时，胡一鸣回答说:“如果要问引力波的实际意义，恐怕很少有人能回答。”正如爱因斯坦不能准确预测一样，广义相对论能给人们带来什么用？但事实上，如果没有广义相对论的修正，我们手机中使用的卫星导航就不能正常使用。据说，在观看了法拉第的马达工作性能后，一个税务员轻蔑地问道，“这种东西有什么用？”法拉第对收税员说，“先生，我想将来有一天你肯定会从它那里收税的。”面对科学突破，特别是基础领域的突破，我们不应该用实际应用来评价它的价值。"

对物理学家来说，这0.2秒的轻微震动比美人鱼、星球大战甚至人类历史上所有电影的总和还要好，因为它包含的情节是宇宙诞生的画面。我们从小就被告知一个最著名的猜想——宇宙是在爆炸中诞生的。这意味着在空时间的开始，这个大蹦床有最剧烈的震动。引力波可以恢复这种振动——它是否存在，有多大，等等。

然而，目前，引力波真正发挥作用的日子还很遥远。有些人甚至怀疑人类能否在未来50年内再次探测到引力波。然而，几天前，由于ligo的发现，中国的“秦天项目”也引起了关注，这是这一发现的影响之一。可以想象，未来全球科学界有望加大对引力波领域的科学研究和投资，这可能会使引力波更快地与普通人的生活联系起来。