要明白如何探测到引力波，首先得了解什么是引力波。如前所述，牛顿的万有引力定律揭示了引力与万物的关系。而爱因斯坦的广义相对论则将引力与四维时空的弯曲性质联系在一起。物质的质量使得四维时空弯曲，弯曲的时空又影响其中物体的运动，使其运动轨迹成为曲线而非直线。犹如一大片无限扩展的弹性网格以及上面滚动的小球互相影响一样：网格形状因小球重量而弯曲，小球的运动轨迹又因网格的弯曲而改变，见图5-2-1a。

图5-2-1：弯曲时空和引力波

设想弹性网格上突然掉下一个很重的大铅球，如图5-2-1b。铅球不仅使得网格的形状大大改变，而且还将引起弹性床的大震荡，就像一颗石子投在平静的水面上引起涟漪一样，铅球引起的震荡将传播到网格的四面八方。

将上面涟漪的比喻用到四维弯曲时空中，便是科学家们探测到的引力波。

与电荷运动时会产生电磁波相类比，物质在运动、膨胀、收缩的过程中，也会在空间产生涟漪并沿时空传播到另一处，这便是引力波。根据广义相对论，任何作加速运动的物体，不是绝对球对称或轴对称的时空涨落，都能产生引力波。

（引力波。图片来自网络）

爱因斯坦在100年之前预言存在引力波，但是，由于引力波携带的能量很小，强度很弱，物质对引力波的吸收效率又极低，一般物体产生的引力波，不可能在实验室被直接探测到。举例来说，地球绕太阳相互转动的系统产生的引力波辐射，整个功率才大约只有200瓦，而太阳电磁辐射的功率是它的1022倍。仅仅200瓦！可以想象得到，照亮一个房间的电灯泡的功率，散发到太阳-地球系统这样一个诺大的空间中，效果将如何？所以，地球-太阳体系发射的微小引力波一直完全无法被检测到。

美国花费巨资升级的LIGO，是目前最先进的观测引力波的仪器，它的基本原理是使用激光干涉仪，见图5-2-2a。从激光器发出的光束，经由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来再会合。利用测量两条激光光束的相位差来探测引力波引起的长度变化。每束光在传播距离L后返回，其来回过程中若受到引力波的影响，行程所用时间将发生改变而影响到两束光的相对相位。显然，干涉臂的长度L越长，测量便越精确。以LIGO为例，双臂长度为4千米，见图5-2-2b。并且，LIGO观测机构拥有两套干涉仪，一套安放在路易斯安娜州的李文斯顿，另一套在华盛顿州的汉福。两台干涉仪都得到了类似的结果，方才能证实的确接收到了引力波。

图5-2-2：探测引力波的实验设施

测量到引力波是基础物理研究的里程碑。首先，这意味着科学家们可以通过它来进一步探测和理解宇宙中的物理演化过程，为恒星、星系、乃至宇宙自身现有的演化模型，提供新的证据，有一个更为牢靠的基础。其二，过去的天文学基本上是使用光作为探测手段，而现在观测到了引力波，便多了一种探测方法，也许由此能开启一门引力波天文学。此外，大爆炸模型，以及黑洞等发射的引力波，都是建立在广义相对论的基础上。真正探测到了理论预言的引力波，便再次证明这个理论的正确性。

（图片来自网络）

2015年被LIGO探测到的引力波波源，是遥远宇宙空间之外的双黑洞系统。其中一个黑洞36倍太阳质量，另一个29倍太阳质量，两者碰撞并合成一个62倍太阳质量的黑洞。显然这儿有一个疑问：36+29=65，而非62，还有3个太阳质量的物质到哪儿去了呢？其实这正是我们能够探测到引力波的基础。相当于三个太阳质量的物质转化成了巨大的能量释放到太空中！正因为有如此巨大的能量辐射，才使远离这两个黑洞的小小地球上的人类，探测到了碰撞融合之后传来的已经变得很微弱的引力波。

（摘自《永恒的诱惑：宇宙之谜》，作者：张天蓉）