什么是引力波？为什么它很重要？

物理学家们一直在热议（或者更确切地说，在推特上）激光干涉引力波天文台 (LIGO) 实验最终发现引力波的可能性。LIGO 十多年来一直在寻找这些宇宙涟漪。去年 9 月，它升级为 Advanced-LIGO，这是一种更灵敏的系统，也能更好地过滤噪音。Advanced-LIGO 更有可能收集到引力波的具体证据——如果它还没有的话。

科学家们或许很兴奋，但引力波的讨论却让大多数人摸不着头脑。这些宇宙振动到底是什么？为什么它们会在科学界引起轰动？

什么是引力波？

引力波是时空结构的扰动。如果你将手伸入一池静止的水，你会注意到波浪沿着它的路径向外扩散。根据阿尔伯特·爱因斯坦的说法，当重物在时空中移动时也会发生同样的事情。

但是空间如何波动呢？根据爱因斯坦的广义相对论，时空不是虚空，而是一种四维“结构”，物体在其中移动时，可以推拉它。这些扭曲是引力的真正原因。一种著名的可视化方法是拿一张绷紧的橡胶板，在上面放一个重物。该物体会导致橡胶板在其周围下垂。如果你在第一个物体附近放置一个较小的物体，它就会向较大的物体下落。恒星以同样的方式对行星和其他天体施加拉力。你可以在下面的视频中看到这个实验。

虽然橡胶片的类比并不能准确描述时空的运作方式，但它表明我们所认为的虚空可以看作是一种动态物质。任何加速的物体都会在这种物质中产生涟漪。但小涟漪会相对较快地消失。只有质量巨大的物体（如中子星或黑洞）才会产生引力波，并持续传播到地球。

我们如何才能发现它们呢？

目前正在进行一些不同的实验来寻找这些波。最新的传言来自 LIGO，它通过追踪引力波对时空的影响来寻找引力波：当引力波经过时，它会在一个方向上拉伸空间，在垂直方向上收缩空间。

LIGO 计划使用一种名为干涉仪的仪器来探测这些变化。这种装置将一束激光分成两束，并将两束光束垂直发射出去。如果两束光束传播的距离相等，从镜子上反射回来，那么组成它们的波在返回时应该仍然对齐。但是经过的引力波实际上可以改变每条臂的距离，从而改变每束光束相对于其同类光束传播的距离。当光束返回其源头时，科学家将能够检测到这种变化。然而，引力波对干涉仪臂长的变化非常小：大约是原子核宽度的 1/10,000。为了捕捉到如此微小的变化，LIGO 必须过滤掉所有其他噪声源，包括地震和附近的交通。尽管 LIGO 在近十年的运行中没有发现引力波，但其最近升级到 Advanced-LIGO 应该会给它带来更好的机会。

Advanced-LIGO 将不得不与欧洲航天局 (ESA) 的激光干涉仪太空天线 (LISA) 竞争。LISA 将在太空中充当巨型 LIGO，今年将进行试运行——ESA 于 12 月发射了 LISA 探路者。它将在太空停留几个月，以测试最终将在未来 LISA 任务中部署的技术。

但激光并不是探测时空变化的唯一方法。例如，北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）通过观察中子星（称为脉冲星）发射的无线电波爆发来寻找引力波。这些无线电波脉冲通常有严格的时间限制，因此如果它们提前或推迟到达，可能是因为引力波干扰了它们到达地球的旅程。

其他实验则寻找宇宙大爆炸后产生的特定类型的引力波。他们通过观察宇宙大爆炸留下的辐射来寻找。如果宇宙大爆炸产生了引力波，科学家们将有望看到这种辐射的偏振中的漩涡。哈佛大学在南极进行的一系列实验，如宇宙河外极化背景成像 (BICEP) 等项目，观察了残留的辐射，试图找到泄露真相的偏振模式。