引力波是如何被發現的？

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13.4億年前，在距離地球非常非常遙遠的地方發生了一件大事情。這可以算是宇宙中毀天滅地的大災難。不過它和地球上發生的任何災難都不同，不像是小行星撞擊一樣，發生劇烈的爆炸，然後地震、海嘯、火山噴發。宇宙中這場災難發生的靜悄悄的，假如你就在附件，你甚至不會看到耀眼的光亮。

因為發生的事情是兩個黑洞相撞了。它們非常地巨大，一個有36個太陽的質量，一個有29個太陽的質量。它們在宇宙中快速地相互旋轉著，逐漸地靠近，就像是被吸進了下水道的漩渦。因為黑洞巨大的引力，還會拖拽著周圍的空間發生這變形和扭曲，隨著它們的旋轉釋放出陣陣的引力波。

引力波向外擴散，以光速前進。因為引力波是空間本身的震蕩，所以不會有任何東西阻攔到它。然後，就這樣光速行駛了13.4億年之後抵達了地球。13.4億光年的距離，已經讓引力波的能量衰減得非常嚴重，它穿過地球穿過我們每一個人的時候，我們不會有任何感覺。

不過在地球上卻有一群科學家卻一直期待著它到來。他們為此建立了龐大的設備，等待了很久，心中期盼著來吧來吧，任何一個引力波過來都可以。於是在2015年9月14日，屏幕上的圖像跳動了，引力波被接收到了，那裡的科學家簡直不敢相信這一切，又經過反覆地驗證，最後在2016年2月14日發布消息，引力波第一次被人類確認存在，至此愛因斯坦所有廣義相對論的預言都得到了驗證。

發現它的是激光干涉引力波天文台，英文單詞首字母縮寫是LIGO。1992年開始籌劃，1999年年底建成，中間十幾年一直沒有什麼發現，直到2015年重新進行了升級，沒幾個月就發現了引力波。大家可以看一下下面這個圖，這個設備非常巨大，就像是一個巨型的直角尺。兩個垂直著的是激光的通道，有3000米長，從頭跑到尾相當於跑操場10圈。

因為引力波是對空間本身的壓縮，當引力波經過的時候就會把這麼長的通道壓縮得小那麼一點點，然後和就能拿來和另一個沒有壓縮的進行比較，這個時候就能知道短了多少。就是通過這樣的方法來確認是否有引力波。問題是如何測量通道長度的變化呢？難道是用尺子量嗎？用尺子是不行的，因為尺子本身也會隨著空間的壓縮而壓縮，尺子和通道一起縮短，最後測出來就是沒有變化。

所以才會用激光來測量，光速是不變的，不會隨著空間的變化而變化，所以只需要知道光從一頭到另一頭所花的時間有沒有改變就可以知道距離是否產生了變化。這也是為什麼這個通道要這麼長，一個原因是引力波已經非常弱了，通道就像是天線一樣，越長信號越好；再一個就是畢竟是要用激光來測量的，光度太快，通道太短的話就太難被測量到了。其實實際上，是激光從兩個通道交匯處發出，然後到達兩端會被反射回來再次相交，只要在原地就可以互相驗證得出是否距離縮短了。

通過這樣的方法就可以測量到非常小的距離變化，小到多少呢？可以小到質子的千分之一。大家可能想不到這精確度有多高啊，我可以舉一個比較形象的例子，如果把質子的千分之一放大到和螞蟻一樣大，你能想像到3000米的激光通道會被放大到多少嗎？是和地球一樣大嗎？不是。是和太陽系一樣大嗎？也不是，而且還是遠遠不夠的。答案是要比銀河系的直徑還要大。在銀河系裡面找一顆星球都非常的困難，而LIGO相當於可以觀察到一隻螞蟻大小的變化。

也正是因為精度要求這麼高，所以在測量的時候周圍是不能有其他干擾的，如果周圍有汽車火車經過就會影響準確性。所以才會建立在無人的荒原上，而且還是一建就建了2個。這兩個LIGO相距有3000多公里，大家可以看一下下面的圖，幾乎誇過了整個美國。這樣，就可以互相驗證。如果只有一個探測到了有波動，另一個沒有，那麼很可能就是受到了干擾，不過如果兩個同時探測到了，那就不大可能是受到了干擾，而非常有可能是引力波了。

不知道大家在聽歷史或是看紀錄片的時候有沒有這一種感覺，在某某時期發生了一件事，代表了某個時代的到來。就比如18世紀瓦特改良了蒸汽機，代表著工業革命時代開啟；19世紀末愛迪生髮明電燈，代表著電氣時代到來；20世紀40年代，第一個原子彈爆發，代表著人類進入了核能時代。總感覺生活在那個時代的人非常幸運，可以親自見證某件改變世界的事情發生，而自己生活的時代卻平淡無奇。

可能你並不清楚，引力波的發現就是一件可以載入史冊的大事件，而且很有可能它就是那個代表著一個新時代到來的大事件。原因我們上期也講到過，因為引力波的發現代表著，人類終於有了一種超越電磁波的方式去觀察宇宙，很多原來不可能被探知的秘密現在有了可能。

當然，如果想實現對宇宙更深入地了解，只靠LIGO是不夠的。引力波在傳播的過程中衰減的太快了，就像這一次探測到的引力波，即使是黑洞碰撞如此劇烈的宇宙現象，釋放出的引力波到了地球也只能用這麼精密的儀器才能探測到，可見這件事的難度。如果想要探測到更細微的引力波，只有兩種方法，要麼是實現去辨別更短的距離，不是現在這樣質子的千分之一，而是萬分之一或是十萬分之一；另一個方法，就是把激光的通道加長，每加長一倍就相當於把測量精度提高一倍。

去探測更小的距離變化是不太可能了，再小就是量子級別了，所以只能把激光通道增大。於是，科學家們就做出了一個新的計劃，打算把引力波探測器放在太空中。這個引力波探測裝置叫做演化激光干涉空間天線，英文單詞縮寫是eLISA。由它構成的激光通道可是相當長的。它是由3個相同的航天器構成，互相之間通過激光聯繫成一個等邊三角形，一個邊長就有5百萬千米。

它們也不是像衛星一樣繞著地球旋轉，而是會跟在地球後面一起繞太陽旋轉。大家可以看一下下面這個圖，就是eLISA的想像圖。如果不出意外，按照計劃2034年它們就可以投入使用了。到時候就應該會有無數的新發現等著科學家們了。

來源：王木頭講科學

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