从爱因斯坦到LIGO ——重温引力波探测史

包含两个致密天体（比如中子星或者黑洞）的双星系统会辐射出高强度的引力波，尤其是在双星并合的时候。本页数字模拟图所展示就是双星并合的过程。

2016年2月11日，LIGO项目的科学家宣布，他们已经探测到了引力波，这标志着宇宙学和物理学研究将进入新的阶段。那么，LIGO是如何探测到引力波的？在此之前，科学家为了实现这个目标又做出过哪些努力？

乐器发出的声音满载着信息。聆听音乐时，我们可以推论出演奏音乐的乐器的种类（如管乐器或者弦乐器）和质地（铜制的或是木制的），我们甚至可以评价乐手技艺的精湛程度。所有这些信息的载体是声波，这是一种以固定速率向外传播的空气扰动。物理学家也借用这个概念来研究宇宙。只不过，在宇宙中传导波的介质并不是空气，而是时空；而这种波不再是声波，而是引力波。

实际上，广义相对论提出的一个基本假设是，把空间的三个维度和时间维度统一在一起的时空（spacetime）是具有弹性的。就算其中空无一物，时空也可发生振动，而这种振动就是引力波。这种波与乐器发出的声波一样，也满载着信息。这些信息一方面反映了制造出引力波的事件，而另一方面也体现了引力波传播时通过的时空的性质。物理学家希望，在未来的几年里，美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）以及意大利VIRGO探测器能获得来自宇宙的、证明引力波存在的直接证据。（2016年2月11日，LIGO科学合作组织宣布他们已经探测到了引力波。）

爱因斯坦在1916年提出了引力波的概念。起初，引力波曾遭到了物理学家的质疑。从理论的角度看，引力波的存在仰仗的是时空与其他物理实体之间的微妙差异。此外，通过实验探测引力波是极为困难的。

现在，再没人怀疑引力波的存在了。引力波是广义相对论的预言产物，而广义相对论在20世纪已经被无数的观测和实验所证实。此外，一些天文观测为引力波的存在提供了间接证据。物理学家甚至算出了引力波的一些特征值，比如传播速度。引力波在真空中的传播速度等于光速，与广义相对论的预测一致。

引力的速度

引力以有限的速度传播，这个性质并不是显而易见的。这个观点最初由皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon de Laplace）于1773年提出，与当时的主流理论——牛顿的万有引力理论是相悖的。在牛顿的理论框架内，不管相隔多远，两个有质量的物体间的引力作用是立即发生的。而牛顿的理论相当成功，例如，它可以准确地解释行星运动的开普勒定律。

拉普拉斯希望借用自己的新理论来解释一个奇特的天文现象——朔望月（月相变化的一个完整周期）的缩短。我们现在知道，这个现象是由于地球自转受潮汐力的影响变慢而造成的。而在当时，为了解释这个现象，拉普拉斯构造了一个与牛顿体系不同的理论模型。在拉普拉斯的理论中，引力反映的是物体发射出的粒子的作用，这些粒子的速度是有限的。拉普拉斯将他的理论预测与观测进行对照，他发现所谓的“粒子”的速度应该至少是光速的700万倍（光速大约是每秒30万千米）。这个速度如此之大，实际上跟牛顿的理论没有太大的差别。

100年后，苏格兰人詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了电磁学理论，而美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson