引力波：广义相对论的“最后一块拼图”(1)
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当地时间2017年10月3日11时50分，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，2017年诺贝尔物理学奖授予“为创建激光干涉引力波天文台(LIGO)和发现引力波做出贡献”的3位美国科学家：雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩。
引力波缘何而起？探索中有何曲折？三人各自做出了怎样的贡献？发现引力波有何重大意义？这一系列的问题，将在以下回答。
“吹皱一池春水”
——缘起爱因斯坦的引力波
1916年3月20日，愛因斯坦完成总结性论文《广义相对论的基础》，以单行本在《物理年鉴》上正式发表，其中提出了引力波的概念，并预言存在引力波。
什么是引力波呢？
在爱因斯坦看来，宇宙的时空是四维的弯曲时空：空间(三维)加上不可或缺的时间(一维)的一个整体。假设水是爱因斯坦时空的话，那么因为水受到“干扰”(例如风吹、石头丢进水中或鱼冒出水面)出现的涟漪——水波就是引力波!引力波的本质是“时空的涟漪”通过波的形式从辐射源向外传播并传递能量，形成引力场。所以，引力波是时空的波动——千万不要认为它是“引力引起的波”!与通常的水波、声波、光波不同的是，引力波在宇宙真空中以光速传播(这一点与光波相同)，不会受到任何阻挡；物质对它的吸收效率极低。在基于绝对时空观而假设“物质相互作用的传播速度无限大”的牛顿力学中，不可能存在引力波。
引力波源于“时空异动”——相当于上述水受到“干扰”。天体被黑洞吞没、天体合并、天体的加速运动、新天体的诞生等，都是“时空异动”的例子。
但是，爱因斯坦在提出引力波之后20年，却认为引力波并不存在，还为此专门写了论文。为什么他要打“退堂鼓”呢？在这20年间，他的广义相对论中的许多预言都被证实了啊!
原来，引力波实在太难探测到了!太难探测的第一个主要原因是它极其微弱。例如，地球围绕太阳以大约30千米/秒的平均速度运行，发出的引力波功率仅约200瓦(小于一般家用电饭煲的功率)。功率的微弱，就导致振幅微小。振幅微小到探测精度要达到10-21米，即要能够在1000米的距离上感知10-18米(相当于质子直径的大约千分之一)的变化!第二个主要原因是，物质对它的吸收效率极低，难以被探测仪器感知。所以，在这20年间，没有科学家探测到引力波；更糟糕的是，根本没有人提出或找到探测的方法，更说不上制造探测设备。在这个背景之下，“胆大包天”的爱因斯坦也只好“心细如发”地“知难而退”了。
爱因斯坦的“退堂鼓”从另一个角度表明，相对论实在太过于庞大和超前了，以致他本人都“没有了自信”。爱因斯坦一生犯下的大大小小错误共有20多个，这个“退堂鼓”就是其中之一。
从“隔岸观‘波’”到“眼见为实”
——探测引力波的曲折历程
然而，爱因斯坦的“退堂鼓”并没有阻挡探索者们执着的脚步——为了探测到引力波，科学家们绞尽脑汁、挖空心思，百折不回、万难不屈。
首先是间接证明引力波的存在。显然，宇宙中大质量天体的加速、碰撞与合并等事件，才可以形成便于探测的强大引力波。但是，能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远，传播到地球时就变得非常微弱。所以，即使是间接探测也并非易事。不过，在1974年，美国天体物理学家小约瑟夫·泰勒与他的学生赫尔斯，对一颗编号为PSR B1913+16的双星系统(由一颗脉冲星及其伴星组成，两者都是中子星)的轨道进行长时间观测之后，发现它会以引力波的形式损失能量，轨道周期每年缩短76.5微秒，轨道半长轴每年减少3.5米，预计大约经过3亿年后发生合并。这些观测值与根据广义相对论中引力波预言的数值符合得非常好。这就间接证明了引力波的存在，他俩也因此分享1993年的诺贝尔物理学奖。
然而，这种“隔岸观‘波’”式的间接证明不能让科学家满意，他们要独辟“眼见为实”或“亲耳聆听”的蹊径。
“眼见为实”的蹊径就是直接探测到引力波。20世纪60年代，美国马里兰大学物理学家韦伯首先开发出了一种共振型引力波探测器。它由多层铝筒构成，外层直径1米、长2米，质量约1吨，用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时，圆柱会发生共振，进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。他曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了多台相同的探测器，但只有两台同时检测到的相同信号才被记录下来。韦伯声称，他于1968年12月30日到次年3月21日的81天观测中，收到了两次引力波信号，立刻引起了科学界的轰动。但是，后来的重复实验都一无所获，他的结果没有被学术界接受。
韦伯的观测虽然无果而终，但却开辟了一条直接探测引力波的道路。怪不得在美国国家科学基金会(NSF)宣布直接探测到引力波时，索恩高度评价他为“这一领域真正的父辈先驱”。此时，正值韦伯初次用实验直接探测引力波50周年。
时间流逝到20世纪70年代时，韦斯和索恩都意识到并共同探讨过用激光干涉方法探测引力波的可能性，但直到90年代，这种探测所需的高灵敏度的技术条件才逐渐趋于成熟。1991年，麻省理工学院与加州理工学院在NSF的资助下，开始联合建设LIGO。酷似圆规的LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂，臂长都是4000米。在两臂交会处，从激光的光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的两个空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，并在那里发生干涉。如果有引力波通过，就会引起时空变形：一臂光束的长度将略为变长，而另一臂的长度则略为缩短，这样就会造成光程差的变化，并因此使激光干涉条纹发生相应的变化。两台孪生引力波探测器，分别放在华盛顿州的汉福德市和相距约为3003千米之遥的路易斯安那州利文斯顿市。只有当这两个探测器同时检测到相同的信号，才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成，2002年开始运行。两次重大升级改造之后的“先进LIGO”，灵敏度提高了10倍。 (陈仁政)