引力波的探索歷程

幾十億年前，兩顆巨大的恆星沿軌道繞對方運行，並最終相繼死亡，形成了兩個黑洞。大約在14億年之前，這兩個黑洞發生碰撞。在碰撞發生前的最後幾秒鐘內，他們在引力的作用下一起繞著最終接觸點，完成了數千次的旋轉，使時空發生了劇烈震蕩。這兩個黑洞碰撞合併在一起，黑洞碰撞的一絲餘音踏上了漫漫的時空旅程，以光速向著四面八方傳播而去。

當這縷餘音經過本超星系團時，地球上正是恐龍時代；當它來到銀河系時，人類正在創作石洞壁畫；當他接近地球附近的星團時，愛因斯坦通過推理，提出了引力波的概念；2015年的9月14日，當它最終經過地球時，一個名為LIGO的探測器捕捉到了它的存在。整顆星球，因為它的這一次路過沸騰了。

美國理論宇宙學家珍娜·萊文，在自己所著的《引力波》一書中記錄下了這一歷史性時刻，並為我們講述了其背後的故事。

1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，顛覆了牛頓對於引力的解釋，同時徹底革新了我們原先對於時間與空間的理解。廣義相對論認為，時空就像是一張巨大的橡皮膜，有質量的物體會使時空發生彎曲，這彎曲了的時空則會反過來告訴物體如何運動，而這些在彎曲時空中加速運動的物體會激起時空的「漣漪」，也就是「引力波」。

近100年來 ，愛因斯坦基於廣義相對論提出的其他預言都已獲證實。唯有引力波一直徘徊在科學家的「視線」之外，因此在很長一段時間內，在引力波是否存在這個問題上，學界一直抱有爭論。

20世紀70年代，天文學家赫爾斯和泰勒，觀測到兩顆中子星組成了一個相互繞轉的雙星系統，按照廣義相對論的理論，它們會拖拽著，周圍彎曲的時空一起運動，將能量以引力波的方式傳遞到空間當中，這將導致星體的軌道緩慢地縮小，運轉一周的時間也會隨之縮短。後來的觀測結果表明，這個雙星系統運轉一周所需的時間每年會減少76.5微秒，這與相對論的預言高度一致。羅素赫爾斯和約瑟夫泰勒，給出了引力波存在的第一個證據，驅散了長久以來籠罩著的迷霧，讓人們對引力波萌生出更強烈的探求渴望。

20世紀70年代，麻省理工學院的雷納·韋斯，想到了一個絕妙的點子，用激光的干涉來測量引力波，這個想法吸引了許多同樣對引力波抱有熱情的科學家，逐漸組建起了LIGO的科研團隊。

按照雷納的想法，只需要五步就可以建造出一個引力波探測器：第一，尋找一個不會發生地震的地方；第二，建造兩個相互垂直，呈L型的真空管道；第三，在L形管道的拐角處放置一台大功率高能激光器，並用分光器將發射出來的激光分成兩束；第四，在干涉臂的末端懸掛一面光滑平整的反射鏡；第五，調節各個部分，讓激光沿干涉臂原路返回並在起點處匯合。

一台探測器這樣就做好了，兩條從反射鏡返回的激光在分光器處發生干涉，如果兩束激光的傳播距離正好相等，那麼它們在干涉圖樣處的亮斑就會完全重合，在暗斑處則會相互抵消。如果在引力波作用下，一條幹涉臂的長度稍有縮短，而另一條幹涉壁的長度略有增加，那麼兩豎激光的傳播距離就不會相等。當他們重新匯合時，干涉圖樣可以記錄下兩束激光，在傳播距離上的微小差值。

這麼看來，雷納提出的這個觀測引力波的方法並不複雜，但是有一個想法，和將這個想法付諸實施是兩件截然不同的事。宇宙中任何加速的物體都可以自然產生引力波，但是正如池塘里的漣漪，隨著在宇宙中的傳播，引力波會變得越來越弱，只有非常緻密的星體以接近光的速度加速運動時，才能夠產生在地球上探測得到的足夠強大的引力波，而這些引力波到達地球時引起的空間變化大約只有十萬億分之一，相當於在地球周長1000億倍的距離上測量出，比人的頭髮絲直徑還要小的長度變化。因此，引力波的探測成為了歷史上對精度要求最高的實驗，所需的各方面實驗資金遠超各個基金會的承受範圍。

LIGO的第一任項目負責人不得不使出渾身解數，成功地在20分鐘內讓一位議員對宇宙產生了興趣，最終獲得了國會的資金支持。整個團隊在數十年間，經歷了多次人員重組，研究設備和研究方法也一次次被優化。最終 付出終於換來了回報，在愛因斯坦提出廣義相對論100年後LIGO從嘈雜的「雜訊」中，首次捕捉到了引力波找到了廣義相對論的最後一塊拼圖。

從伽利略用一架簡陋的望遠鏡觀察太陽開始，人類把400年來拍攝的一系列靜止的天空照片，彙編成了一部，講述宇宙歷史的無聲電影，而引力波的探測，將為這部電影配上一首，不是很悅耳，但卻十分熱鬧的主題曲。