人類首次直接探測到引力波 印證愛因斯坦百年前預言
美國當地時間2月11日上午10點30分（北京時間2月11日23點30分），美國國家科學基金會（NSF）召集了來自加州理工學院、麻省理工學院以及LIGO科學合作組織的科學家在華盛頓特區國家媒體中心宣佈：人類首次直接探測到了引力波。美國科研人員宣佈，他們利用激光干涉引力波天文台（LIGO）於去年9月首次探測到引力波。這一發現印證了物理學大師愛因斯坦100年前的預言。
同為黑洞專家的英國天文物理學大師霍金（Stephen Hawking）表示，他相信這是科學史上重要的一刻。霍金在接受英國廣播公司（BBC）專訪時表示：“引力波提供看待宇宙的嶄新方式，發現它們的能力，有可能使天文學起革命性的變化。這項發現是首度發現黑洞的二元系統，是首度觀察到黑洞融合。”
在物理學上，引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，如同石頭丟進水裏產生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的“時空漣漪”。早在1915年，愛因斯坦在廣義相對論的基礎上提出了引力波的存在，並預言強引力場事件可產生引力波，比如黑洞合併、脈衝星自轉以及超新星爆發等。
通常引力波的產生非常困難，地球圍繞太陽以每秒30千米的速度前進，發出的引力波功率僅為200瓦，還不如家用電飯煲功率大。宇宙中大質量天體的加速、碰撞和合並等事件才可以形成強大的引力波，但能產生這種較強引力波的波源距離地球都十分遙遠，傳播到地球時變得非常微弱。
LIGO外觀
現代物理學認為，引力波是一種與電磁波不同的輻射，無法通過電磁輻射直接觀測。引力波與宇宙中物質的相互作用是非常微弱的，因此可以傳播至很遠的宇宙空間。
為“捕獲”引力波，美國國家自然科學基金會於上世紀90年代在路易斯安娜州利文斯頓和華盛頓州漢福德各建造了一個激光干涉引力波天文台（LIGO）。每個天文台都有兩個長達4公里的測量臂，呈L型排列。來自加州理工學院、麻省理工學院等90多所高校的1000多名科學家參與LIGO的日常探測和研究。
美國東部時間2015年9月14日5時51分，位於利文斯頓的探測器首先傳出撞擊聲，7毫秒後，漢福德的探測器也傳出撞擊聲。這意味着有引力波傳到了地球，並被兩個天文台探測到。
左圖：LIGO漢福德，右圖：利文斯頓，兩個探測器所觀測到的GW150914引力波事件。圖中顯示兩個LIGO探測器中都觀測到的由該事件產生的引力波強度如何隨時間和頻率變化。兩個圖均顯示了GW150914的頻率在0.2秒的時間裏面“橫掃”35Hz到250Hz。GW150914先到達L1，隨後到達H1，前後相差7毫秒——該時間差與光或者引力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。（此圖版權為LSC/VirgoCollaboration所有）
LIGO官網11日在一份新聞稿中表示，此次探測到的引力波是由兩個黑洞合併引發的。這兩個黑洞的直徑都在150公里左右，它們不斷靠近，旋轉，並最終合併成一個黑洞。兩個黑洞一個達到太陽質量的29倍，一個為太陽質量的36倍。據推測，兩個黑洞的合併發生在13億年前，合併過程中產生的引力波經漫長的傳播最終抵達地球。
據推測，兩個黑洞以1/2光速的速度相撞後合併。二者在合併的過程中釋放出約3個太陽質量的能量，這些能量以引力波的形式輻射出去。
LIGO的創始者之一、麻省理工學院物理學教授雷納·維斯説，“引力波的發現漂亮地印證了愛因斯坦在100年前的預言。如果我們有機會告訴他這件事，我真想看看他臉上的表情。”
在哥倫比亞大學物理學教授紹博爾齊·馬爾卡看來，人類此前的天文學發現都好似“眼睛”，而引力波的發現意味着人類長了“耳朵”。他表示，引力波攜帶大量信息，它的發現可幫助科研人員更好地瞭解黑洞。
學界普遍認為，引力波的發現是物理學和天文學的一項重大突破。它開啓了人類探索宇宙的一扇大門，甚至可能揭開宇宙誕生早期的奧秘。
引力波科學的發展歷史
在過去的六十年裏，有許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在做出了無數努力。其中最著名的要數引力波存在的間接實驗證據——脈衝雙星PSR1913+16。1974年，美國物理學家家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠鏡，發現了由兩顆質量大致與太陽相當的中子星組成的相互旋繞的雙星系統。由於兩顆中子星的其中一顆是脈衝星，利用它的精確的週期性射電脈衝信號，我們可以無比精準地知道兩顆緻密星體在繞其質心公轉時他們軌道的半長軸以及週期。根據廣義相對論，當兩個緻密星體近距離彼此繞旋時，該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統總能量會越來越少，軌道半徑和週期也會變短。
泰勒和他的同行在之後的30年時間裏面對PSR1913+16做了持續觀測，觀測結果精確地按廣義相對論所預測的那樣：週期變化率為每年減少76.5微秒，半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年後合併。 這是人類第一次得到引力波存在的間接證據，是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學獎。
圖3：PSR1913+16轉動週期累積移動觀測值與廣義相對論預言值的比較。
圖中藍色曲線為廣義相對論的預測值，紅點為觀測值。兩者誤差小於0.2%，此發現給引力波科學注入了一針強心劑。
在實驗方面，第一個對直接探測引力波作偉大嘗試的人是韋伯（Joseph Weber）。早在上個世紀50年代，他第一個充滿遠見地認識到，探測引力波並不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終，韋伯選擇了一根長2米，直徑0.5米，重約1噸的圓柱形鋁棒，其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器，被業內稱為共振棒探測器（如下圖）：
圖4：韋伯和他設計的共振棒探測器。
引力波驅動鋁棒兩端振動，從而擠壓表面的晶片，產生可測的電壓。圖片來自：馬里蘭大學。當引力波到來時，會交錯擠壓和拉伸鋁棒兩端，當引力波頻率和鋁棒設計頻率一致時，鋁棒會發生共振。貼在鋁棒表面的晶片會產生相應的電壓信號。共振棒探測器有很明顯的侷限性，比如它的共振頻率是確定的，雖然我們可以通過改變共振棒的長度來調整共振頻率。但是對於同一個探測器，只能探測其對應頻率的引力波信號，如果引力波信號的頻率不一致，那該探測器就無能為力。
此外，共振棒探測器還有一個嚴重的侷限性：引力波會產生時空畸變，探測器做的越長，引力波在該長度上的作用產生的變化量越大。韋伯的共振幫探測器只有2米，強度為10 -21的引力波在這個長度上的應變量(2×10 -21米)實在太小，對上世紀五六十年代的物理學家來説，探測如此之小的長度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測器沒能最後找到引力波，但是韋伯開創了引力波實驗科學的先河，在他之後，很多年輕且富有才華的物理學家投身於引力波實驗科學中。