LIGO科學家終於檢測到了引力波！ 一分鐘幫你掃盲

2016年2月11日，激光干涉引力波天文台 (LIGO) 在華盛頓一場記者會上公布了人類對引力波的首個檢測結果。在愛因斯坦提出引力波猜想100周年的今天，引力波終於被直接觀察到了！

這一束引力波是在宇宙中兩個黑洞合併時產生的，穿行15億年來到地球。它只在地球徘徊了200毫秒。LIGO的科學家們是採取了激光干涉的方法直接觀察到了這束引力波對空間的擾動的。喬治亞理工大學負責LIGO數據分析的Laura Cadonati 教授說，實驗結果的置信度達到5.1個標準差。

上述算是新聞報道，那麼，什麼是引力波？

下面「一分鐘引力波掃盲」計時開始：

月亮出現了，海波湧起，此為潮汐。問題是，月亮出現和潮汐發生是同時的嗎？

美女登台了，香氣四溢，擁躉們激動起來。美女登台與擁躉激動是同時發生的嗎？再傻的我們也知道，不是啊，因為香氣的傳播是要花時間的呀。

同理，月亮與潮汐的發生也不是同時的，因為月亮的引力作用傳到地球也需要花時間。

愛因斯坦猜想，月亮的引力作用會以波的形式傳達到地球，這就是引力波。推而廣之，一切如月亮一樣變速運動的物體，都會輻射引力波。

100年來，大傢伙兒都覺得愛因斯坦的猜想挺靠譜，用了各種手段想要探測到引力波。可是，知易行難，直到100年後的今天，才聽說引力波終於被探測到了。

一分鐘到！

了解這麼一點點常識，或許也夠應付從今日起的潮水般湧來的引力波報道了，但，學霸要問了：可以來點深度解析嗎？行，那就得要一點裝備了。請準備好你的中學物理和邏輯思維能力。

還記得那個蘋果落下來砸到牛頓頭上的故事嗎，正是牛頓首先提出萬有引力。引力有一個特別的性質，質量大的物體和質量小的物體自由下落的時候，會同時落地，即加速度相等。據說，牛頓之前約一百年，伽利略在比薩斜塔驗證過這件事情。也可以這麼說，在地球表面，所有的物體都有相同的加速度。引力加速度，其實也就是萬有引力強弱的量度。例如，月球表面的引力加速度是地球表面的1/6，那裡的萬有引力也就是1/6。一百多年之後的愛因斯坦挺重視這件事，他想，既然所謂引力作用的強弱與物體無關，那麼，這種作用完全是由地球單方面造成的。最終，愛因斯坦提出了他的「引力」理論，廣義相對論，其中否定了物體之間「引力」的存在。代之而起的說法是：地球的存在改變了周遭的時間和空間屬性，時空變得彎曲了！地球表面的物體所以會下落，衛星所以會繞地球作圓周運動，並不是因為「引力」，而是在這個彎曲的時空中，就像一切不受力的物體一樣，沿著最短程線在運行！你的小腦一定在飛轉：圓周運動會是最短程線嗎？！完全可能，設想一個球面，那裡的最短程線是什麼？球大圓啊！回想一下你從中國飛到亞特蘭大的時候，飛機差不多繞到加拿大去了，轉了一大圈才南下亞特蘭大。問空姐，她一定說，「這條路最近便」。愛因斯坦的廣義相對論挺複雜，什麼黎曼幾何，張量分析全用上了。他為我們這些傻瓜舉了一個簡單的例子，見下圖。一塊布，周邊被用力拉住，幾乎形成了一個平面。這時，將一個很輕小的軟木球滾上去，軟木球會沿著直線運行。現在把一個質量較大的鐵球放到布的中央，無論周邊怎樣用力拉，布難免會彎曲了。再把軟木球滾上去，瞧，它會繞著鐵球作圓周運動。簡言之，愛因斯坦認為，牛頓所看到的引力效應其實不是什麼引力在起作用，只不過是大質量對時空的擾動罷了。質量越大的天體，比如黑洞，對時空的擾動就越大。

愛因斯坦提出廣義相對論之前，還提出過狹義相對論，其中一個重要的結論是：不存在無窮大的速度，任何速度不能超過真空中的光速。那麼，當地球、太陽，或者質量很大的其他天體突然出現的時候，它對周遭時空的擾動總得花一點時間吧。可想而知，在距離天體很遠的地方，這種時空擾動得花比較長的時間才能傳到吧，就像香氣得花點時間才能傳向四周一樣。那麼，時空擾動是以什麼方式傳播的呢？愛因斯坦很偏愛電磁波，他希望，也是猜想，時空擾動就如電磁波一樣，是以波的形式在傳播。這就是100年前他提出的引力波。

引力波傳到之處，時空被周期的拉伸和壓縮。假如做一根很長的管子，在兩頭安裝激光器，使兩束光發生干涉。當管子被周期的拉伸壓縮的時候，干涉條紋也會周期的變化。今天我們知道，這件事LIGO真做到了！他們測到了來自黑洞合併時發出的引力波，據說，其波動頻率如小鳥的叫聲。自上世紀以來，不斷有人聲稱發現了引力波，知名的如馬里蘭大學的韋伯教授。但不久又被否定了。這一次，請大家放心，喬治亞理工大學負責LIGO數據分析的Laura Cadonati 教授說，實驗結果的置信度達到5.1個標準差。那可是很多個9的純金啊！

測試引力波裝置內部

LIGO測試引力波的真空管

從今天開始，人類有了一種監聽宇宙的聲音，引力波的鳥叫聲；而在此之前，我們還是聾子。

值得我們小小地得意一下的是，當這個裡程碑事件發生的時候，亞特蘭大沒有缺席。

喬治亞理工大學負責LIGO數據分析的團隊