LIGO科学家终于检测到了引力波！ 一分钟帮你扫盲

2016年2月11日，激光干涉引力波天文台 (LIGO) 在华盛顿一场记者会上公布了人类对引力波的首个检测结果。在爱因斯坦提出引力波猜想100周年的今天，引力波终于被直接观察到了！

这一束引力波是在宇宙中两个黑洞合并时产生的，穿行15亿年来到地球。它只在地球徘徊了200毫秒。LIGO的科学家们是采取了激光干涉的方法直接观察到了这束引力波对空间的扰动的。佐治亚理工大学负责LIGO数据分析的Laura Cadonati 教授说，实验结果的置信度达到5.1个标准差。

上述算是新闻报道，那么，什么是引力波？

下面“一分钟引力波扫盲”计时开始：

月亮出现了，海波涌起，此为潮汐。问题是，月亮出现和潮汐发生是同时的吗？

美女登台了，香气四溢，拥趸们激动起来。美女登台与拥趸激动是同时发生的吗？再傻的我们也知道，不是啊，因为香气的传播是要花时间的呀。

同理，月亮与潮汐的发生也不是同时的，因为月亮的引力作用传到地球也需要花时间。

爱因斯坦猜想，月亮的引力作用会以波的形式传达到地球，这就是引力波。推而广之，一切如月亮一样变速运动的物体，都会辐射引力波。

100年来，大家伙儿都觉得爱因斯坦的猜想挺靠谱，用了各种手段想要探测到引力波。可是，知易行难，直到100年后的今天，才听说引力波终于被探测到了。

一分钟到！

了解这么一点点常识，或许也够应付从今日起的潮水般涌来的引力波报道了，但，学霸要问了：可以来点深度解析吗？行，那就得要一点装备了。请准备好你的中学物理和逻辑思维能力。

还记得那个苹果落下来砸到牛顿头上的故事吗，正是牛顿首先提出万有引力。引力有一个特别的性质，质量大的物体和质量小的物体自由下落的时候，会同时落地，即加速度相等。据说，牛顿之前约一百年，伽利略在比萨斜塔验证过这件事情。也可以这么说，在地球表面，所有的物体都有相同的加速度。引力加速度，其实也就是万有引力强弱的量度。例如，月球表面的引力加速度是地球表面的1/6，那里的万有引力也就是1/6。一百多年之后的爱因斯坦挺重视这件事，他想，既然所谓引力作用的强弱与物体无关，那么，这种作用完全是由地球单方面造成的。最终，爱因斯坦提出了他的“引力”理论，广义相对论，其中否定了物体之间“引力”的存在。代之而起的说法是：地球的存在改变了周遭的时间和空间属性，时空变得弯曲了！地球表面的物体所以会下落，卫星所以会绕地球作圆周运动，并不是因为“引力”，而是在这个弯曲的时空中，就像一切不受力的物体一样，沿着最短程线在运行！你的小脑一定在飞转：圆周运动会是最短程线吗？！完全可能，设想一个球面，那里的最短程线是什么？球大圆啊！回想一下你从中国飞到亚特兰大的时候，飞机差不多绕到加拿大去了，转了一大圈才南下亚特兰大。问空姐，她一定说，“这条路最近便”。爱因斯坦的广义相对论挺复杂，什么黎曼几何，张量分析全用上了。他为我们这些傻瓜举了一个简单的例子，见下图。一块布，周边被用力拉住，几乎形成了一个平面。这时，将一个很轻小的软木球滚上去，软木球会沿着直线运行。现在把一个质量较大的铁球放到布的中央，无论周边怎样用力拉，布难免会弯曲了。再把软木球滚上去，瞧，它会绕着铁球作圆周运动。简言之，爱因斯坦认为，牛顿所看到的引力效应其实不是什么引力在起作用，只不过是大质量对时空的扰动罢了。质量越大的天体，比如黑洞，对时空的扰动就越大。

爱因斯坦提出广义相对论之前，还提出过狭义相对论，其中一个重要的结论是：不存在无穷大的速度，任何速度不能超过真空中的光速。那么，当地球、太阳，或者质量很大的其他天体突然出现的时候，它对周遭时空的扰动总得花一点时间吧。可想而知，在距离天体很远的地方，这种时空扰动得花比较长的时间才能传到吧，就像香气得花点时间才能传向四周一样。那么，时空扰动是以什么方式传播的呢？爱因斯坦很偏爱电磁波，他希望，也是猜想，时空扰动就如电磁波一样，是以波的形式在传播。这就是100年前他提出的引力波。

引力波传到之处，时空被周期的拉伸和压缩。假如做一根很长的管子，在两头安装激光器，使两束光发生干涉。当管子被周期的拉伸压缩的时候，干涉条纹也会周期的变化。今天我们知道，这件事LIGO真做到了！他们测到了来自黑洞合并时发出的引力波，据说，其波动频率如小鸟的叫声。自上世纪以来，不断有人声称发现了引力波，知名的如马里兰大学的韦伯教授。但不久又被否定了。这一次，请大家放心，佐治亚理工大学负责LIGO数据分析的Laura Cadonati 教授说，实验结果的置信度达到5.1个标准差。那可是很多个9的纯金啊！

测试引力波装置内部

LIGO测试引力波的真空管

从今天开始，人类有了一种监听宇宙的声音，引力波的鸟叫声；而在此之前，我们还是聋子。

值得我们小小地得意一下的是，当这个里程碑事件发生的时候，亚特兰大没有缺席。

佐治亚理工大学负责LIGO数据分析的团队