我一百年前就預言到了這歷史性的一刻了喲 | 引力波被發現
按：歡迎你，地球人，來到引力波（gravitational wave）的時代，這是一個值得紀念的日子。
北京時間昨日深夜，一個重要的消息被宣布：人類首次直接探測到了引力波——13億光年之外兩個黑洞合併所產生的時空震蕩，被地球上的兩個探測器同時發現，自此，廣義相對論在提出100周年之後得到了最直接的驗證和最重要的肯定，宇宙的歌響起來了，生生死死，正唱給你聽，我們終於聽到了宇宙的聲音。
引力波交響曲
字幕翻譯：與傳統天文（觀測的是光）不同，對於引力波——這種被愛因斯坦的廣義相對論所預言的時空結構中的漣漪——最好的解釋就是聲音的一種。接下來的聲音是模擬黑洞和中子星在合併時所產生的聲音。短暫的啁啾聲來自於雙恆星級黑洞最後死亡時的吶喊（兩個黑洞合併到一起時的聲音），這個信號以後能夠為LIGO干涉儀所探測到（書評君註：說的就是這次成功的探測啦！）。這個長而且低沉的聲音來自於大質量黑洞，他們的聲音能夠被未來的太空干涉儀探測器LISA所探測到（當然如果依舊發射的話）。這些聲音頻率本來很低，現在被放大到了我們的音域範圍之內。在不遠的未來，我們應該能夠探測到一些真實的引力波，到時我們就應該可以播放來自於宇宙的真實聲音。
引力波最初只是阿爾伯特·愛因斯坦的一個理論構想，來源於方程式的推導，而非真實的實驗觀察。愛因斯坦最早提出了這一概念，並在他的廣義相對論中預言了引力波的存在。他認為某些質量非常大、運動速度又非常快的物體，會對周圍時空結構產生擾動，引力波就是時空擾動向外傳遞的微小漣漪。這種漣漪有多微小呢？他說，引力波小到永遠無法被觀測到。
在引力的世界中，我們的宇宙通常一片平靜，直到北京時間2015年9月14日17點50分45秒。Bang！那一刻，在距離地球13億光年之外，兩個巨大黑洞發生了一次致命性的「親密接觸」，地球上LIGO（激光干涉引力波天文台）的兩個探測器同時探測到了宇宙深處的這一場引力風暴！
這一場天外撞擊事件，加上科學家精密到氫原子的百億分之一級別的系統設計，讓我們驕傲地走進了新時代。在這值得紀念的一天，我們與國家天文台研究員礪珺聊了聊引力波。（他也是《星際穿越》一書的譯者噢，《星際穿越》的作者基普·索恩昨天還在發布會上發了言噢！）
引力波：
「時空自身的波動」
新京報：什麼是引力波？
礪珺：既然稱之為引力波，它必然與引力有關。所以，在進一步了解引力波之前，我們需要了解一下人類對於引力的認識過程。17世紀末的物理學家牛頓看到了下落的蘋果，意識物體之間普遍存在的一種力，稱之為「引力」，並且將其數學化，這就是我們熟知的萬有引力。萬有引力認識的精髓，是物體質量的存在導致了引力，這在牛頓之後的兩百多年裡被認為是宇宙間的絕對真理。直到1905年狹義相對論發表，再到1915年廣義相對論的發表，愛因斯坦提出了一種完全不同的對於引力的看法：引力是因為質量對於時空造成了變形所導致，而非質量之間的吸引。這就意味著，時空可被當做一種可以變形的介質來認識。所以，簡單地說，引力波就是時空自身的波動。相比較我們熟知的無線電波（或者電磁波），它僅僅在時空之中傳播，時空是它的媒介。
人們常說「星辰大海」，如果將時空視作海洋，那麼天體就如同海洋生物一般。可以想像，如果大海中的某個生物搖了搖尾巴、或是晃了晃頭，海水由此所產生的波動就會向外傳播。與此類似，宇宙中某個天體的劇烈活動，會對所在的時空產生擾動，時空自身的波動也會向遠處傳播，如果足夠強，就能夠為地球上的我們所感知。
產生引力波的雙黑洞合併：
「黑吃黑的火拚」
新京報：這次的波動有多強？我們完全沒感覺啊……
礪珺：其實，此次發布會還有另外一個亮點，就是雙黑洞的發現。這是人們首次發現直接發現雙黑洞系統，兩個黑洞的質量分別為26個和39個太陽質量，屬於恆星級黑洞。或許你已經聽膩了黑洞，生活中時不時的會聽到某某黑洞爆發了，某某黑洞吞吃恆星了等等。但是這次的發現卻有些不同，兩個天體都是黑洞，互相繞轉，最後合併。這聽起來像是一場黑吃黑的火拚（真的是「黑」吃「黑」），甚至有點兒像香港電影里我們熟悉的火爆場面。黑洞合併產生了非常強烈的時空振蕩，所以我們遙遠的地球才觀測到了。
兩個大塊頭合併之後，形成了一個62太陽質量的黑洞。不對！怎麼少了3個太陽質量？！其實，引力波也是攜帶能量的，所以在黑洞合併之時，它的形狀是非常不對稱的，在振蕩恢復的過程當中，一部分質量通過引力波的方式輻射出去，從而為我們所接收。
雙黑洞的合併產生了強烈的時空震蕩——引力波
被引力波擊中的話
「會變高變瘦，然後變胖變矮」
新京報：從預言到探測，物理學家等待引力波的到來已有一百年之久，為什麼引力波這麼難探測？
礪珺：主要原因是，相比較其他的幾種力（強力、弱力、電磁力），引力是最弱的，相應的引力波效應也就很弱。想當初愛因斯坦在發表自己新的理論之後，就估算了引力波的強度。引力波的強度通常利用相對變形的大小來表示，結果往往是小的可憐，幾乎無法探測到。引力波是時空的自身變形，在一個方向上被拉伸，在其垂直的另外一個方向上就會被壓縮。如果我們有一天，我們被同樣的雙黑洞系統在合併時所產生的引力波（變化強度為1.0E-21）所擊中的話，理論上來說，我們同樣會經歷一個稍微變高變瘦，然後變胖變矮一些的過程。實際上，對我們身高不超過2米的人類來說，導致的變化大約為2E-21，為一個氫原子的五百億分之一（一個氫原子的大小大約為1.0E-10米）。
變高變瘦，然後變矮變胖
引力波的效應是如此之小，所以一方面需要增加探測的長度，來增強變化的效應，另外一方面通過巧妙的方法來探測到微小的變化。這也是此次新聞發布會中提到的激光干涉引力波天文台(LIGO)在建造之初所考慮的。它有兩個觀測點，分別建在美國華盛頓州的列文斯頓和路易斯安那州的漢福德。每個觀測點都有兩個互相垂直，每條長達4公里的臂。長臂中間是高度真空的管子，而在長臂兩端，懸掛著大約直徑34厘米、重達40kg的反射鏡。LIGO的探測器利用激光干涉技術，不間斷地測量每對發射鏡之間的距離。每當引力波通過探測器時，人們會探測到兩對發射鏡之間的距離呈現此消彼長的周期性變化。
LIGO的兩個天文台相距3000公里，通過探測信號的時間差，我們就可以知道引力波的傳播速度。如果以光速傳播，那麼時間差將會是10個毫秒量級，這和觀測結果一致，從而確認了引力波的傳播速度為光速。
即使對於LIGO天文台4公里的長臂，引力波所造成的變化也是極其微小的。對於兩個10個太陽質量的雙黑洞合併，其可能產生的尺度相對變化最高可為1E-21，意味著4公里的長度也僅僅只變化了一個氫原子直徑的2.5千萬分之一。為了達到這個精度，LIGO的科學家做了許多精密的設計，保證探測系統的穩定，保證LIGO反射鏡的位置隨機漲落小於一個氫原子大小的百億分之一，從而保證可以相對比較容易的探測到可能的引力波源。
廣義相對論的勝利！
「引力波是一種全新的看待世界的方式」
新京報：探測到引力波，對人類而言意味著什麼？
礪珺：毫無疑問引力波是對廣義相對論的一個最直接的驗證。另外它在弱場中已經得到驗證，但是對於強引力之下的驗證，之前卻從來沒有驗證過。所以此次的觀測，是對廣義相對論的一個非常好的檢驗。
引力波以光速傳播，它與物質的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以給我們提供我們宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這個幾乎是無法利用我們熟知的電磁波來達到的。比如，利用引力波，我們可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之後的1E-36秒開始的宇宙形成過程。而對於電磁波而言，它最早只能看到大爆炸後的大約300,000年之後的宇宙歷史，在此之前，電磁波是不能給我們提供的。所以引力波是我們了解我們宇宙形成的最好工具。
如果你還記得，在《星際穿越》電影中的結尾之時，主人公庫珀身處一個5維時空的超體方體中，為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處4維時空的女兒墨菲，人為製造引力波效應，成功將信息傳遞，從而使人類得以解救。從目前物理學家的認識來看，引力波是唯一一種可以在不同維度傳播的波。不同宇宙之間的碰撞，會產生引力波。說不定，在不遠的將來，我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。
一個天生的聾啞人，一直在聽別人描述聲音的存在，突然有一天，他的聽力恢復，第一次聽見了聲音——我想，我們此刻的心情也是差不多如此。引力波為我們打開了一扇全新的窗口，引力波是一種看待世界的方式。歷史的發現軌跡告訴我們，每一扇新的窗口被打開，都會有令人稱奇的發現。雖然LIGO的探測能力還是有限，一旦這個引力波的世界被撬開了一道小的裂縫，讓我們看到了春天的種子，相信碩果累累的引力波豐收季節也不會太遠。
推薦閱讀：
※五四愛國運動對當時中國的影響是什麼？
※康熙作為皇帝和有什麼做為？
※中國歷史上最無能的朝代是哪個？
※【歷史】萬曆十五年，究竟發生了什麼？
※從毛澤東最高興的事感受他始終不變的初心