臺灣學(xué)界稱為重力波，英文中有時(shí)也寫作 gravity wave;但更多場合中，gravity wave是留給地球科學(xué)與流體力學(xué)中另一種性質(zhì)迥異的波動。關(guān)于萬有引力的本質(zhì)是什么，牛頓認(rèn)為是一種即時(shí)超距作用，不需要傳遞的“信使”。愛因斯坦則認(rèn)為是一種跟電磁波一樣的波動，稱為引力波。引力波是時(shí)空曲率的擾動以行進(jìn)波的形式向外傳遞。引力輻射是另外一種稱呼，指的是這些波從星體或星系中輻射出來的現(xiàn)象。電荷被加速時(shí)會發(fā)出電磁輻射，同樣有質(zhì)量的物體被加速時(shí)就會發(fā)出引力輻射，是廣義相對論的一項(xiàng)重要預(yù)言。2009年08月20日，一個(gè)國際科研小組在20日出版的新一期《自然》雜志上報(bào)告說引力波“出沒范圍”被鎖定，愛因斯坦預(yù)言或?qū)⒊烧妗?/p>

引力波-簡介

引力波是愛因斯坦在廣義相對論中提出的，即物體加速運(yùn)動時(shí)給宇宙時(shí)空帶來的擾動。通俗地說，可以把它想象成水面上物體運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的水波。但是，只有非常大的天體才會發(fā)出較容易探測的引力波，如超新星爆發(fā)或兩個(gè)黑洞相撞時(shí)，而這種情況非常罕見。因此，相對論提出一百多年來，其“水星進(jìn)動”和“光線偏轉(zhuǎn)”等重要預(yù)言被一一證實(shí)，而引力波卻始終未被直接探測到。

引力波有宇宙初生時(shí)的“啼哭”之稱，它自宇宙誕生后便一直四散傳播，現(xiàn)在可探測到的余響能量非常小，被稱為“隨機(jī)引力波背景”。在“激光干涉引力波觀測臺”中，科學(xué)家便是努力在長達(dá)4公里的激光光線中，尋找“隨機(jī)引力波背景”帶來的比一個(gè)原子核還小的擾動。

引力波-性質(zhì)

引力波以波動形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對論，加速運(yùn)動的質(zhì)量會產(chǎn)生引力波。

引力波的主要性質(zhì)是：它是橫波，在遠(yuǎn)源處為平面波;有兩個(gè)獨(dú)立的偏振態(tài);攜帶能量;在真空中以光速傳播等。引力波攜帶能量，應(yīng)可被探測到 。但引力波的強(qiáng)度很弱，而且，物質(zhì)對引力波的吸收效率極低，直接探測引力波極為困難。曾有人宣稱在實(shí)驗(yàn)室里探測到了引力波，但未得到公認(rèn)。天文學(xué)家通過觀測雙星軌道參數(shù)的變化來間接驗(yàn)證引力波的存在 。例如，雙星體系公轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)，及理論預(yù)言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等過程，都能輻射較強(qiáng)的引力波。我們所預(yù)期在地球上可觀測到的最強(qiáng)引力波會來自很遠(yuǎn)且古老的事件，在這事件中大量的能量發(fā)生劇烈移動(例子包括兩顆中子星的對撞，或兩個(gè)極重的黑洞對撞)。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動，但這些變動的數(shù)量級應(yīng)該頂多只有10^-21。以LIGO引力波偵測器的雙臂而言，這樣的變化小于一顆質(zhì)子直徑的千分之一。

偵測

雖然引力輻射并未被清清楚楚地“直接”測到，然而已有顯著的“間接”證據(jù)支持它的存在。最著名的是對于脈沖星(或稱波霎)雙星系統(tǒng)PSR1913 16的觀測。這系統(tǒng)被認(rèn)為具有兩顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環(huán)繞對方。其并且呈現(xiàn)了漸進(jìn)式的旋近(in-spiral)，旋近時(shí)率恰好是廣義相對論所預(yù)期的值。對于這樣的觀測，最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋為：廣義相對論一定是對這種系統(tǒng)的重力輻射給出了準(zhǔn)確的說明才得以如此。泰勒和赫爾斯因?yàn)檫@些成就共同獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。

1959年，美國馬里蘭大學(xué)教授韋伯發(fā)表了證實(shí)引力波存在的消息，這引起了世界物理學(xué)界一陣狂熱的激動。事情是這樣的，韋伯等人制造了6臺引力波檢驗(yàn)器，分別放在不同地點(diǎn)進(jìn)行長期的檢波記載。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在各臺檢波器上都記錄到一種相同的、不規(guī)則的“擾動”，并證明它并不是由聲學(xué)振動、地震、電磁干擾或宇宙線干擾等引起的，因此，他們認(rèn)為“不能排除這就是引力波”。之后，許多國家的科學(xué)家采用各種方法企圖證實(shí)宇宙深處的同樣“來客”，但終未得到肯定的結(jié)果，于是激動之余，人們便只能嘆息罷了。

射電天文學(xué)的蓬勃發(fā)展為物理學(xué)家們新的探測途徑。射電望遠(yuǎn)鏡的探測本領(lǐng)比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)得多，美國天文物理學(xué)家泰勒等人在1974年，靠著射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)雙星體系——脈沖射電源(PSR1913 16)。按照廣義相對論計(jì)算，雙星互相繞轉(zhuǎn)發(fā)出引力輻射，們的軌道周期就會因此而變短，(PSR1913 16)的變化率為-2.6*10^ -12。而在1980年，他們也是采用精密的射電儀器，由實(shí)驗(yàn)行到觀察值為-(3.2±0.01×10 ^-12,與理論計(jì)算值在誤差范圍內(nèi)正好符合。這可以說是引力波的第一個(gè)定量證據(jù)。上述消息傳開，引起物理學(xué)界的極大震動。科學(xué)家們信心倍增，為歡迎引力輻射這位宇宙“嬌客”將開展更為廣泛的探索研究。因?yàn)閷σΣǖ奶綔y不僅可以進(jìn)一步驗(yàn)證廣義相對論的正確性，而且將為人類展現(xiàn)出一幅全新的物質(zhì)世界圖景，茫茫宇宙，只要有物質(zhì)，到處有引力輻射。

引力波激光干涉儀

LIGO和GEO 600是用來測量引力波即時(shí)空結(jié)構(gòu)中的波動的工具。引力波非常難以測量，因?yàn)楫?dāng)他們到達(dá)地球的時(shí)候已經(jīng)變得非常弱了。

LIGO和GEO 600通過測量兩條激光束相遇的時(shí)候所形成的干涉圖樣的變化來探測引力波。這些圖樣依賴于激光束的傳播距離，當(dāng)引力波穿過時(shí)激光束的傳播距離會相應(yīng)變化。

這種稱之為激光干涉計(jì)的探測器的靈敏度，是與激光傳播的距離成比例的。因?yàn)樘綔y器需要尋找的是很微弱的信號，所以需要LIGO和GEO的尺寸相當(dāng)大。

引力波觀測激光干涉儀 (LIGO)

位于美國的LIGO觀測所擁有兩套干涉儀，一套安放在路易斯安娜州的李文斯頓，另一套在華盛頓州的漢福。在李文斯頓的干涉儀有一對封閉在 1.2 米直徑的真空管中的4公里長的臂，而在漢福的干涉儀則稍小，只有一對2公里長的臂。

這二套 LIGO 干涉儀在一起工作構(gòu)成一個(gè)觀測所。這是因?yàn)榧す鈴?qiáng)度的微小變化、微弱地震和其它干擾都可能看起來像引力波信號，如果是此類干擾信號，其記錄將只出現(xiàn)在一臺干涉儀中，而真正的引力波信號則會被兩臺干涉儀同時(shí)記錄。所以，科學(xué)家可以對二個(gè)地點(diǎn)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得知哪個(gè)信號是噪聲。

LIGO從2003年開始收集數(shù)據(jù)。它是目前全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測所。一系列的升級計(jì)劃將更進(jìn)一步提高其靈敏度。

引力波-突破

引力波“出沒范圍”被首次鎖定

引力波是宇宙從大爆炸中誕生后緊接著瞬間的極度混沌中產(chǎn)生的，就像宇宙初生時(shí)發(fā)出的“啼哭”聲。愛因斯坦在廣義相對論中預(yù)言了引力波的存在，科學(xué)界一百多年來一直苦苦探尋引力波。一個(gè)國際科研小組在2009年8月20日出版的新一期《自然》雜志上報(bào)告說，他們終于鎖定了引力波的探測范圍。

這個(gè)科研團(tuán)隊(duì)利用位于美國的“激光干涉引力波觀測臺”，成功地鎖定了引力波的“出沒范圍”，顯示其能量值比原有推測值要小很多。他們預(yù)計(jì)，目前探測儀器的靈敏度到2014年可提高1000倍，到時(shí)極有可能直接觀測到引力波。

研究人員說，他們的研究成果是尋找引力波過程中“第一次有意義的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展”，如果真能在近期探測到引力波，將極大推動對宇宙誕生和時(shí)空本質(zhì)的理解。正緣于此，全球科學(xué)家都積極投入到這項(xiàng)工作中。在《自然》雜志發(fā)表的這篇論文中，作者列表不是通常的幾個(gè)或十幾個(gè)人名，而是遍布全球的79所大學(xué)、實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)。