美國科學(xué)家們宣布了一個重大新聞，引力波終于被探測到了。美國兩個相距3000公里的 LIGO 站（激光干涉引力波觀測站）同時探測到了一個長達(dá) 五分之一秒，頻率由35赫茲增快到150赫茲的“低音”信號。經(jīng)過分析表明，這是距離約10億光年以外兩個約30倍太陽質(zhì)量的黑洞快速繞對方旋轉(zhuǎn)并且迅速合并為一個黑洞發(fā)出的引力波。計算表明這個引力波的功率是整個宇宙的光功率的幾十倍。愛因斯坦預(yù)言引力波之后100年，人類終于非?？隙ǖ靥綔y到了這個時空本身的波動。這對我們進(jìn)一步打開自然奧秘之門，了解我們所在的宇宙的過去與未來將有非常重要的意義。不僅如此，相關(guān)的探測技術(shù)令人驚詫 ，足以體現(xiàn)美國在高端科技的大規(guī)模投入以及美國目前在科技領(lǐng)域的高度領(lǐng)先。

那么，什么是引力波？ 這要從什么是平直空間講起。中國古代發(fā)現(xiàn)了勾股定理，勾三、股四、弦五 （古希臘稱為畢達(dá)哥拉斯定理），直角三角形的斜邊長度的平方等于兩個直角邊長度平方的和。其實這個關(guān)系隱含了一個假設(shè)，那就是空間是平直的。如果在球面上畫一個直角三角形，勾股定理就不成立了。人們一直假定，我們所在的三維空間是平直的。一百年前，愛因斯坦發(fā)表了他的引力理論 --- 又稱為廣義相對論。在這個理論里，時間不再是均勻地流逝，三維空間也不再平直，而是會因為物質(zhì)能量等的分布而變化，勾股定理也就得修改了。。 愛因斯坦引力場方程的左邊是空間時間的彎曲度，右邊是引力源（能量、動量張量），左邊等于右邊。對于右邊不變的情況，在引力弱的情況下，愛因斯坦場方程得到與牛頓的萬有引力基本一致的結(jié)果，但仍然有極為微小的差別。例如，地面上的時間會比1000米高處的時間流逝要慢，盡管差別只有10萬億分之一，但已經(jīng)被實驗驗證了。

既然時空的彎曲度與當(dāng)引力源有關(guān)，那么當(dāng)引力源隨時間變化時，時空的彎曲度也會隨時間變化。這種彎曲度的變化不會停留在一處，而是會傳播開來。這就是引力波，又叫做引力輻射。比如地球繞太陽公轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)一圈是一年；地球作為一個引力源在周期性運動，這個周期性變化就會產(chǎn)生引力波，其波動的頻率是每年兩次，波長 30萬*365*24*3600/2 = 4.7 萬億公里。具體的計算都可以通過愛因斯坦的場方程進(jìn)行，而且由于是弱引力的情況，相關(guān)的方程得到大大的簡化。其真空方程正是一個波動方程 

引力波所到之處，隨之而來的時空波動的效果是物體的長度會發(fā)生變化。這種變化不是物體在伸縮，而是空間本身的伸縮。理論上，探測引力波可以通過測量物體長度的變化進(jìn)行。但是粗略的計算表明，在實驗室里人工制造引力波只能產(chǎn)生幾百億億億億分之一的長度變化，這在可預(yù)計的將來都是過于微小而不可探測的。鑒于此，遙遠(yuǎn)天體在劇變過程中發(fā)出的引力波成為唯一可行的探測對象。為此，全世界的科學(xué)家們作出了前仆后繼的努力。

1960年代，美國物理學(xué)家約瑟夫-韋伯 （Joseph Weber) 設(shè)計了一組實驗，通過觀測金屬鋁圓柱體的振動來觀測引力波。他發(fā)表了若干論文，聲稱已經(jīng)探測了引力波。但他的實驗沒能被其他物理學(xué)家重復(fù)。如果他的觀測確實是引力波，那么就說明在離銀河系不遠(yuǎn)處，頻繁有大規(guī)模天文事件發(fā)生，而我們所在的宇宙是相對平穩(wěn)的。最終，科學(xué)界一致認(rèn)為，韋伯的數(shù)據(jù)分析存在很大的缺陷，其觀測到的很可能是噪音信號，不足為信。

但韋伯的努力鼓舞了后繼者。1960年代，蘇聯(lián)科學(xué)家首先提出用激光相干的方法測量距離的變化。美國科學(xué)家進(jìn)行了進(jìn)一步分析，總結(jié)如何排除各種噪聲信號（如微地震、熱振動、汽車引起的振動等等）以提高靈敏度。做這樣的探測需要大量的資金。以LIGO為例，它是一個L型的激光干涉儀，L型的每個臂長為4公里，里面抽成超高真空。建造這么個觀測站耗資數(shù)億美元，每年運行費用數(shù)千萬。從2002年建成后運行8年，一直沒有探測到引力波。經(jīng)分析總結(jié)之后，認(rèn)為必須升級提高靈敏度。于是又投入數(shù)億美金，進(jìn)行升級改造。終于非?？隙ǖ靥綔y到了引力波。

這次LIGO探測的引力波最大的信號為十萬億億分之一。這是個什么概念呢？ 探測器的臂長是4000米，這個長度的十萬億億之一是400億億分之一米，而一個氫原子的半徑約為400億分之一米。也就是說，LIGO探測到的長度最大變化只有一個氫原子半徑的一億分之一。其效應(yīng)如此之小，引力波的概念愛因斯坦在100年前提出，到今天才被探測到也就并不奇怪了。

計算表明這次探測到的引力輻射應(yīng)該是來自兩個質(zhì)量約為太陽質(zhì)量約30倍的黑洞互相繞對方旋轉(zhuǎn)，螺旋式的越轉(zhuǎn)越近，越轉(zhuǎn)越快，以引力波形式發(fā)射大量的能量，并最終合并。150赫茲的信號說明黑洞在軌道上轉(zhuǎn)動的速度達(dá)到了每秒鐘75圈，而兩者之間的距離只有約三百多公里。這意味著黑洞的相對速度達(dá)到了每秒10多萬公里，接近光速的一半。如此劇烈的黑洞之舞，幸好是發(fā)生在10多億光年之外 --- 也就是說在10多年億之前。

美國崇尚科技，連美國的大眾娛樂都充滿了科學(xué)探索。不管是《星際穿越》還是《火星人》，都是面向未來。 LIGO 引力波探測的核心人物之一是物理學(xué)家基普-托恩 (Kip Thorne）。好萊塢科幻大片《星際穿越》（Interstellar ）正是根據(jù)托恩的理論研究并由他擔(dān)任執(zhí)行制片，據(jù)稱電影里的某些模擬計算就可以發(fā)表幾篇論文。美國人把目光投向了遙遠(yuǎn)的星球、星系乃至宇宙的邊緣，美國對人類科技文明的貢獻(xiàn)舉世矚目。在牛頓出現(xiàn)之前，中國與西方基本上保持了科技水平的平衡；牛頓之后，中國大幅落后。今天我們處于后愛因斯坦時代，中美科技水平存在相當(dāng)?shù)牟罹?。引力波的探測已經(jīng)跨越了一個重要的里程碑，但未來還有更為廣闊的前景。中國如果不甘落后，仍然大有可為。