尋找引力波的最佳方法

1. 科學家通過光子研究，發現了哪些宇宙的秘密

隨著微觀粒子被人類不斷的研究和熟知，這將會對宇宙的認知產生巨大的影響，從而改變人類的研究方向。

人類的科學進步往往都是以點帶面的，一旦在某個領域實現突破，那麼就會讓人類整體的科技水平有一個很大的提升，所以就讓我們期待暗物質、引力波被真正的發現吧。

2. 引力波的直接觀測為什麼很難

簡單的說，直接觀測的難度來自：從地球上能觀測到的引力波太弱了。

為了讓這個答案盡量完整，首先我們來看看什麼是引力波。

在廣義相對論中，引力是質量引起的時空彎曲。如果我們把四維時空想像成一個二維的平面（如水面），就可以用下面的例子來類比時空彎曲。

小蟲的腳對水面有壓力，造成水面向下凹陷。如果它抬起一隻腳，凹陷的水面會上升，並且在水面上盪起一圈圈波紋。

在這個例子中，壓力變化造成水面曲率的變化，並且以波的方式向四周擴散。同樣，空間中質量分布的變化也會讓時空曲率發生變化，並且以波的方式向各個方向擴散。這個波就是引力波。下面是中文維基上對引力波的定義（重力波 (相對論)）。

引力波是指時空曲率以波的形式從源頭向外傳播的擾動，這種波以重力輻射的形式傳遞能量。我們可以從以下幾點來認識引力波。首先，引力波不是引力。一個天體即使質量再大，如果它保持靜止或者做勻速直線運動，是不會產生引力波的。我們要求質量分布的變化。

其次，球對稱或圓柱對稱的質量分布的變化不會產生引力波。所以以下情況都不會產生引力波。恆星（近似為球體）自轉。脈動變星周期性的擴展和收縮。太陽進入紅巨星階段，體積增加。而下面是一些有引力波產生的情況。

雙星系統。近距離相互圍繞旋轉的緻密星體（白矮星，中子星，黑洞）是重要的引力波源。由於引力波輻射會帶著雙星的動能，所以它們會逐漸接近，最後結合。從這個角度來看，引力波輻射實際上限定了雙星系統的生命期。如果雙星系統中有黑洞，引力波的強度會比較高。尤其是當兩個超級黑洞合並時產生的超強度引力波對於探測儀有極高的信噪比。另一個特殊的例子是，當一個恆星質量的天體墜落到星系中心的巨型黑洞時，這個過程十分緩慢，地球上的探測儀可以在長達幾年的時間內探測到相同的波形。

脈沖星。脈沖星是一種快速自轉並帶有強磁場的中子星。部分脈沖星本身質量分布並不均勻，所以它們在自傳的時候造成了質量分布的變化，產生引力波。

超新星。一顆大質量的恆星走到生命的終點時，外層會以極高的速度向內核塌陷，速度可以達到每秒7萬公里。這個塌陷通常是不對稱的，所以會產生較強的引力波。

伽馬射線暴。一般認為伽馬射線暴來自快速自轉的黑洞的誕生，如果是這樣，那麼在觀察到伽馬射線暴的同時，引力波也應該接踵而至。

大爆炸。在宇宙大爆炸中產生的原初引力波可以追溯到大爆炸後10^-24秒，也是引力波天文學的重要觀測目標。

3. 宇宙大爆炸第一波的引力波震盪是怎麼被探測到的

人類在宇宙138億年時探測到了宇宙在10的負33次方秒時的原初引力波在宇宙38萬年時產生的微波背景輻射中留下的痕跡。
(所以說不是直接觀測到宇宙早期的引力波，而是在宇宙微波背景輻射中找到了引力波存在的跡象。)

想像一下大海的潮水退去後會在沙子上留下波的痕跡，宇宙中沒有充斥沙子而是充斥一種叫做宇宙微波背景輻射，微波背景輻射是大爆炸的余暉，這種輻射無處不在，所以我們猜想在宇宙微波背景輻射中帶有引力波留下的痕跡，於是又天體物理團隊創造了非常靈敏的輻射探測器，並且把它裝在一台位於南極的望遠鏡上（名為「BICEP」宇宙泛星系偏震背景成像），尋找痕跡（漣漪），經過幾年的艱苦尋找他們在宇宙微波背景輻射中發現了漩渦狀圖案，隨後3年多對其進行數據分析，排除了其他可能的來源，確認它就是暴漲期間原初引力波穿越宇宙導致的。計算機模型此前已經預測了這種背景輻射應當具備的特殊偏振模式（尋找的是一種叫做B模式的特殊偏振模式，其特點是會形成旋渦），從而使其能夠與宇宙大爆炸之後的暴漲理論相吻合。所以這是自廣義相對論預言引力波以來證明它存在的最直接證據，也是迄今暴漲理論最有說服力的證據。

宇宙微波背景輻射是一種彌漫整個宇宙的極微弱的輻射信號。根據宇宙學中的暴漲理論，銀河系相對於背景輻射有一個相對的運動速度，扣除掉這個速度對測量結果帶來的影響，以及銀河系內物質輻射的干擾，宇宙背景輻射具有高度各向同性（在各個方向上的物理等屬性一致），溫度漲落的幅度只有大約百萬分之五。這個理論可以解釋為什麼宇宙從一開始的奇點變成了現在這個均勻平滑的樣子。1916年，愛因斯坦預言了引力波的存在，同時指出這種現象將極其微弱，因此他認為人類將永遠也無法實際探測到它。所以三體中，研究人員說到世界末日都可能看不到COBE數據的太大變化，否則就是重大發現了。原初引力波的強度是非常弱的，目前應該不可能直接探測到（指利用引力波驅動物體運動的方法，這種方法在LIGO，VIRGO等實驗中使用，不過探測的都是例如雙緻密星產生的引力波，而非原初引力波）。

所以現在一般使用CMB偏振來做間接探測。

原初引力波會導致CMB輻射的偏振場呈現類似磁場一樣的B模式的形狀。在排除星際塵埃這類前景的污染後，這種形狀在一定尺度內只能由原初引力波產生。所以可以利用B模式探測來間接探測原初引力波。

4. LIGO到底是如何探測引力波的

LIGO控制室，圖片來源：wikimedia

如果我讓這個任務聽起來很容易的話，其實它並不是。LIGO是被很多突破性的高端技術所環繞的，這些技術都是為了它專門定製的。每條長達四公里的干涉臂，在建造的時候必須考慮到地球的曲率引起的形狀修正效應。每個探測器都必須要以極高的精度與地殼震動隔離起來，並且要置於真空環境中來避免污染物和氣體對反射鏡之間的激光產生影響。

兩台探測器必須每次連續幾個月紀錄數據－從不錯過一個數據點，也從不滯後。當你的探測器要綿延好幾公里時，這本身就是一項技術上的挑戰。LIGO可謂是一項工程和物理學奇跡，它是從古至今最精密復雜的機器之一，能夠成為其中的一員是非常令人激動的。

本文作者：Ed Daw，謝菲爾德大學物理學學者

註：所有文章均由中國數字科技館合作單位或個人授權發布，轉載請註明出處。

5. 發現引力波：愛因斯坦又對了

從前，有一個人著迷於引力現象。他的腦海中進行著有關宇宙飛船和電梯的思想實驗。最終他得出結論，引力不是傳統的「力」，而是時空彎曲的表現。他沉浸在微分幾何的研究之中，而微分幾何是一種可描述任意彎曲時空的復雜數學。最終，他得到了一種思考時空的新方法，以一個不可思議的方程量化出了引力與物質和能量如何彼此影響。

他並沒有停下思考的腳步，還利用自己的新理論得到了許多推論。其中之一是，引力的變化並不會立刻傳到整個宇宙中，而是以引力波的形式傳播出去，傳播速度是光速。之後一段時間，他還曾對這個推論持質疑態度。不過最終，大多數的科學家都覺得這個推論很靠譜，值得檢測一下。他們發起了一個雄心勃勃的計劃，建立了一個在技術上堪稱奇跡的探測器，可檢測到引力波留下的淡淡痕跡。最終，在預言之後的100年，一個新聞發布會舉行了。

當然，這個人就是阿爾伯特·愛因斯坦。而那個於2016年2月11日舉行的新聞發布會，其內容許多人都已經知道了：藉助於LIGO，即激光干涉引力波天文台，人類首次直接探測到了引力波。

研究人員表示，探測到的引力波是大約在13億年前由兩個中等質量的黑洞合並時產生的。這個引力波以光速向外傳播，最終遇到地球。在2015年9月14日，LIGO的兩個巨大的探測器捕捉到了這個引力波產生的信號。

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，引力是時空彎曲的表現。如果把時空想像成一張巨大的橡膠膜，那麼有質量的物體就會讓橡膠膜彎曲，這就像你踩在蹦床上，蹦床網面發生彎曲一樣。質量越大，時空被彎曲得越厲害，引力就越強。太陽質量非常大，它會導致其周圍的時空發生嚴重彎曲。若是地球想在太陽周圍彎曲的時空里走直線，你會發現地球事實上是在繞圈。所以地球繞著太陽轉，其實並沒有什麼力拉著地球，只不過是這里的時空發生了彎曲。

如果你在蹦床上跑來跑去，那麼網面可能會出現向四周傳播的振動波。同樣，有質量的物質進行加速運動時，可能會使得時空自身出現「漣漪」並向周圍傳播出去。於是，引力波隨之而生。

事實上，任何有質量的東西都能產生引力波。如果我與你一起，彼此繞著圈來跳一支舞，我們也會產生時空的漣漪，但這個引力波太微不足道，根本無法探測到。因為引力是宇宙中所有作用力里最弱的一種，所以只有非常非常重的東西，以非常非常快地發生速度變化，我們才有能力檢測到它們產生的引力波。其中一種能產生極強引力波的情況是兩個黑洞或中子星發生合並前的最後階段。

LIGO探測到的引力波是兩顆距離地球約13億光年遠的黑洞發生合並時產生的。其中一個黑洞約有36倍太陽質量，而另一個約有29倍太陽質量。這兩個黑洞繞著彼此旋轉了億萬年之久，然而隨著時間的流逝，它們不斷輻射出引力波並損失能量，它們之間的距離越來越近，旋轉的速度也越來越快。當它們之間的距離只有幾百千米的時候，它們的旋轉速度甚至超過了光速的一半。此時，這兩個黑洞猛烈地扭曲周圍的時空，產生強大的引力波，並釋放出巨大的能量。之後，在不到一秒鍾的時間里，兩個黑洞碰撞在了一起，合二為一，形成質量約為62倍太陽質量的新的黑洞。這意味著，有大約3個太陽質量的能量在不到1秒里轉化為引力波的能量。在它們合並前最後20毫秒里，輻射出的引力波能量功率最高達到了約3.6×1049瓦特，大約是整個可觀測宇宙中所有恆星光輻射總功率的50倍。合並而成的新黑洞會迅速平靜下來，逐漸變為一個扁平球狀的高速旋轉的黑洞。它會在最後微微抖動幾下，然後這里的時空再次恢復平靜。

引力波當然是看不見的。不過當引力波傳過來時，它會在一個方向上拉伸，在另一個方向上擠壓，這兩個方向都垂直於引力波傳播的方向。如果我們能檢測到引力波引起的時空拉伸與擠壓，那麼我們就可以說檢測到了引力波。

但如果你我之間的時空拉伸或擠壓了，僅拿著普通尺子測量你我之間的距離，是檢測不出來拉伸或擠壓現象的，因為尺子本身也被拉伸或擠壓了。但是有一個尺子不會受到影響：利用光速的尺子。光在真空中的速度永遠是個定值，那麼如果兩點間的距離被拉伸了，光就需要用更長的時間從這點跑到那點。而如果是被壓縮了，光則需要較短的時間。而這就是LIGO實驗的出發點。

LIGO現在有兩個探測器，一個位於美國路易斯安那州的列文斯頓，另一個位於美國華盛頓州的漢福德。它們相隔3000多千米——坐飛機大約需要3個半小時，不過對於引力波來說，只需要不到萬分之一秒就能到達。每一個探測器都由兩個約3.5米高的互成直角的混凝土管道構成，管道有4千米長，從高空看上去就像一個巨大的L。

LIGO的探測器內，一束激光束會被分為兩束，分別射向兩個彼此垂直的管道里。激光束會被管道末端安裝的鏡子反射回來，並回到檢測器里。在檢測器里，一束激光的波峰正好與另一束激光的波谷相對。這樣，兩束激光再次合到一起時，可以彼此抵消對方，檢測器檢測不到光信號。而當有引力波通過時，兩個管道的長度會發生改變——一個會被拉伸，那麼另一個則被擠壓。管道不斷地被擠壓和拉伸，交替變化，直到引力波完全通過。管道長度的變化使得兩束返回的激光束的波峰與波谷時而相對，時而錯位。這樣，兩束激光再次合到一起，不能彼此抵消對方，光信號出現，這就表明引力波被檢測到了。

然而，從13億光年之外發出的引力波，到了地球這里，無論多強也會變得極為微弱。LIGO要想檢測到引力波，其敏感度需要達到令人難以置信的高度——它需要在1千米的長度上找到質子直徑千分之一的空間變化，或者說需要在太陽到比鄰星（約4.22光年）的距離上測出小於頭發絲寬度的距離變化。

LIGO最終達到了這種敏感度，成為人類所建造的最為敏感的設備，而且對除了引力波以外的其他任何東西都不敏感。

可想而知，達到這種程度的敏感是多麼不容易。激光束穿過的管道需要處在一個近乎完美的真空之中，而將管道抽成真空就需要40多天。而且，還要消除掉外界環境對設備的影響。有許多意想不到事情都可能帶來干擾，例如臨近的海風、野外的狼叫、遠處的雷電、經過的汽車、供電系統的不穩，甚至鏡子中原子的不穩定等等。科學家們想出了各種各樣的辦法，來把每一個干擾都排除出去。例如說，反光鏡子被掛在一個復雜的懸架系統上，這懸架系統可抵消掉地震或日常生活引起的地表抖動。

另外，科學家們還建立了兩個相隔3000多米的探測器，只有兩邊同時觀測到一致的數據，才能說明問題。當然，還需要考慮許多其他上萬個細節。例如，研究人員在調試系統時需要用清潔時所使用的工具，穿上全身覆蓋的防護服，來防止任何皮膚細胞或灰塵落到精密的光學儀器上……

LIGO探測器在2002年到2010年進行了首次運行，檢測的結果是個干凈的零蛋。之後探測器下線，開始了為期5年、耗資2億多美元的升級。升級後的LIGO被稱為先進LIGO，敏感度是原來的4倍多。先進LIGO准備於2015年9月18日開始正式運行，然而就在此前幾天，LIGO還處在工程測試運行階段，就檢測到了那個歷史性的信號。

2015年9月13日，LIGO的研究人員忙了一整天，進行了一系列的測試工作。他們在第二天凌晨4點收工了，大家都開車回家，留下設備靜靜地採集數據。而在當地時間凌晨4點50分，那個遠在13億光年之外的兩個黑洞合並時產生的引力波抵達了地球，以相隔7微秒的間隔先後通過了LIGO的兩個探測器。

在歐洲遠程監控LIGO的科學家們首先注意到了信號的抵達。他們瘋狂地給他們的美國同事發郵件。團隊的其他成員都醒了過來，消息迅速蔓延開來。但是，幾乎每個人都對此持懷疑態度，因為這個信號過於完美，與愛因斯坦理論預言的一模一樣。

他們首先想到的是這可能是一個「盲注」的結果。LIGO團隊中成立了一個3人的秘密小組，專門負責「搞破壞」：他們可能會在觀測數據中人為地注入假信號。這種被稱為「盲注」的手段能使LIGO團隊始終對數據保持警覺。但在這一次，沒有任何人進行過「盲注」。於是，LIGO的研究人員開始分析這一探測結果的有效性。他們仔細觀察各種儀器的輸出數據，搞清楚每件設備是怎麼設定和校準的，每一行軟體代碼都要分析，他們還把所有可能的環境干擾列了一個單子，來逐一排查。最後，他們才明白了他們真的檢測到了引力波，其可信度高達99.99994%。

2015年9月14日的發現，現在正式命名為GW150914。雖然LIGO得到的引力波信號只持續了大約0.2秒，但是科學家可以從中提取出許多令人驚訝的信息。他們分析出了這個引力波是由兩個黑洞合並產生的，而且還分析出了黑洞的大概位置、質量、運動速度、黑洞邊界相接觸的時刻等各種信息。這個發現還是第一個表明雙黑洞系統真實存在的觀測證據。

事實上，LIGO檢測到了那個歷史性的信號之後，還檢測到了更多的引力波信號。盡管那些信號沒有第一個信號那麼強烈，但這能說明他們最開始的發現並不是一次偶然的瘋狂事情。

引力波的發現，驗證了廣義相對論最後一個未被實驗直接證實的預言，愛因斯坦又預言對了。但這個發現的意義不止於此。

之前，宇宙所有的知識幾乎都是藉助電磁波和觀測粒子得來的。在400多年前，伽利略利用他自製的望遠鏡開啟了用可見光了解宇宙的時代。從那時開始，科學家們不斷提高觀測水平，又學會了從無線電波段、微波波段、紅外波段、紫外波段、X射線和伽馬射線了解宇宙。科學家們還學會了通過分析宇宙射線和中微子了解宇宙。但是，大部分宇宙是黑暗的，我們無法用天文望遠鏡直接觀測。而引力波是時空本身的漣漪，可以直接穿越黑暗，因此，它為我們了解這些事物提供了一個前所未有的方式。

例如，通過這次檢測到的引力波，科學家知道了兩個黑洞合並的細節。LIGO還可觀測中子星碰撞，或觀測一個中子星被黑洞撕裂的過程等等。

另外，LIGO還可以用來觀察一種只在理論中出現過的物體。一些理論認為，早期宇宙會產生一種比一個原子還要細的線性結構，但它可以有好幾光年長，而且物質密度十分高，幾厘米就可重達1億億噸。這種線性結構叫做宇宙弦。這些宇宙弦總有一天會與自己或其他的宇宙弦打成結。打結時，結點會發生斷裂，並輻射出一種特別形式的引力波。如果能探測到這種形式的引力波，我們就找到了宇宙弦的蹤跡。

所以說，引力波為我們了解宇宙開啟了一扇新的窗戶。這就像你的一生都曾失聰，直到有一天你的聽力恢復了一樣！你將可以用這個全新的方式聆聽並探索這個世界。

巧合的是，LIGO可以檢測到的引力波的頻率正好處在人耳聽覺頻率范圍之內。9月14日檢測到的引力波頻率，在很短的時間里從35赫茲增大到250赫茲。如果把它轉變為聲音信號，那麼它聽起來像一個滑音。你可用你的手指從鋼琴鍵盤的最低音快速滑動到中央C，就可重現這種聲音。

不同的天文學現象會發出它們自己特有的引力波。例如，雙中子星聽上去像短笛，孤立的脈沖星可能像三腳鐵一樣發出一個單頻音，而黑洞則是樂團中的弦樂手。不過，LIGO只能聽到小提琴和中提琴。那些超大質量黑洞所發出的引力波頻率更低，這得需要未來其他的不同敏感度的引力波探測器來探究了。

現在，許多引力波探測器已在籌備之中，有些已經開始了建設。而這次引力波的發現，肯定會掀起進一步研究引力波的熱潮，引力波天文學的時代已經來臨。藉助引力波，我們可能會在不遠的未來發現以前從未想像過的事物。

從預測到現實

——尋找引力波的百年歷史

1915年：愛因斯坦提出了廣義相對論，解釋了引力其實是質量或能量引起的時空彎曲。

1916年：愛因斯坦提出有質量的物質在某些加速運動的情況下會產生時空的漣漪——引力波。

1936年：愛因斯坦在一篇論文初稿中認為引力波不應該存在。之後，他把這篇論文投到一家著名的物理學期刊時，審稿人指出了他論文的錯誤，愛因斯坦避免了一次烏龍。

1962年：兩位俄羅斯物理學家發表論文簡述了用光學儀器檢測引力波的方法，然而沒人注意到他們的論文。

1969年：美國馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯聲稱使用他的鋁棒檢測到了引力波，但後來的重復實驗都一無所獲。

1972年：美國麻省理工學院的萊納·魏斯獨立提出了可以用光學方法來檢測引力波。

1974年：美國天文學家羅素·赫爾斯和泰勒·約瑟夫發現一對中子星會因輻射引力波而失去能量，並導致運動放緩，之後他們因此發現獲得了諾貝爾獎。

1975年：美國加州理工學院的基普·索恩認為魏斯的檢測方法可行，他們開始籌備LIGO。

1981年：美國加州理工學院已開始建造一個探測臂有40米長的原型，蘇格蘭物理學家羅納德·德雷弗負責建設，並在建造過程中不斷改進魏斯的設計。

1990年：魏斯、索恩和德雷弗說服美國國家科學基金會資（NSF）來資助LIGO的建設。這個項目將要花費2.72億美元。

1992年：LIGO設施選址在華盛頓州和路易斯安那州，兩年之後開始開工建設。

1995年：位於德國的GEO600引力波探測器開始開工建設，並在2002年開始收集數據。

1996年：位於義大利的VIRGO引力波探測器開始開工建設，並在2007年開始收集數據。

2002～2010年：LIGO開始初次運行，但沒有檢測到任何引力波。

2007年：LIGO團隊與VIRGO團隊同意共享數據，形成了一個全球性的引力波探測網路。

2010～2015年：花了2.05億美元對LIGO進行升級。

2015年：先進LIGO在9月份開始運行，在測試運行階段就檢測到了引力波。

2016年：2月11日，NSF和LIGO團隊向外界宣布他們成功探測到了引力波。

（本文源自大科技*科學之謎 2016年第4期文章重點文章）

6. 如何利用邁克爾遜干涉儀探測引力波呢

引力波應該來自所有的超新星，並反射類似於伽馬射線爆發的模式。然而，從未有干涉儀探測到超新星發出的引力波。這是因為引力波本身是以空間壓縮波的形式傳播的。組成干涉儀的亞原子粒子本身也是由太空構成的;因此，當空間波動時，干涉儀也波動，干涉儀內的光路也波動。干涉儀能探測到引力波的唯一方法是干涉儀獨立於它所在的空間。

在2015年，激光干涉引力波天文台(LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文台)直接探測到了引力波，方法是測量儀器的一個臂與另一個直角臂的收縮。這些臂長4公里，激光束在這些路徑上穿越了近500次，總旅行距離超過1000公里。

這個實驗吸引了公眾的想像力，並將與1887年著名的邁克爾遜-莫雷實驗(它與邁克爾遜-莫雷實驗相似)一起，成為實驗物理學的偉大成就之一。(當你閱讀第七章對這個實驗的描述時，你會發現LIGO實驗並不像你想像的那麼難理解。)引力波的場性和引力波的存在現在已經確定無疑。

一個復雜的磁性儀器應該能夠探測到干涉儀無法探測到的引力波。

7. 人類首次直接發現引力波，是怎麼發現的引力波有什麼作用

引力波是通過LIGO探測器發現的：
引力波本質上是空間的形變在傳播。如果引力波傳到地球，我們會在一個方向上被拉伸，在另一個方向上被擠壓。LIGO計劃就是要測量這種效應。LIGO有兩條長臂，相互垂直。每條臂長達4公里。LIGO的長臂實際上是高度真空的長管。在每條長臂的兩段懸掛著直徑34厘米的反射鏡，LIGO探測器利用激光干涉，不間斷的測量每對反射鏡之間的距離。
LIGO探測器一共的建成了兩座，分別位於美國的華盛頓州和路易斯安那州，兩地相距3000公里。引力波以光速傳播，因此如果一束可探測的引力波掃過地球，兩座LIGO探測器探測到信號的時間將有10毫秒量級的時間差。精確測量這個時間差可以幫助研究者確定引力波發出的方向。

引力波的作用：

1、理論上：引力的研究非常困難。在我們日常接觸的大多數領域，廣義相對論效應並不明顯。我們至今只能通過天體運動，光線彎折等有限的方法研究引力。而這些方法仍然只能探測較弱的引力場，遠遠觸及不到黑洞視界附近最為扭曲的空間。而引力波探測將打開一扇新的窗子，幫助人們了解空間最扭曲部分的動態變化——這種動態過程被基普·索恩稱作幾何動力學過程——使人們以前所未有的精度理解廣義相對論（或者證偽它）。
2、宇宙中：如果沒有引力波，目前所有天體的排布會全亂套，宇宙可能也不復存在。
3、近期作用：多了一種探測宇宙、研究基本物理的方法。
4、遠期作用：對發現暗物質、暗能量可能會有幫助；也可能有助於人類理解、實踐時空穿梭（或證明不可行）。

8. 引力波需要怎麼尋找呢

根據愛因斯坦的預測，引力波經過的地方，時空的結構會發生波動性的改變。想像空間里的一個正方形，原本每個邊的長度是相同的，當引力波經過的時候，會擠壓或拉伸這個正方形，而使得它的邊長發生非常非常微小的變化。測量兩個方向上的距離改變，也就是測量引力波的基本原理。但是，由於這種改變非常微小，測量也就非常非常困難，以至於有時科學家們也會懷疑最終是否能夠測量到引力波。據說，一個激光干涉引力波天文台項目的領頭人曾在講座上說，「有時候我在床上躺在老婆旁邊，就在想，天哪，過去的20年我花了國家那麼多錢，卻沒有測到引力波。為什麼我還好好地活在這里? 真應該自殺去!」二十多年的努力卻沒有探尋到結果, 的確很讓人絕望。不過，科學家們始終堅持不懈，也是因為有點底氣。1974年，拉塞爾·赫爾斯在他博士最後一年寫論文的時段，跑到康奈爾大學的阿雷西博天文台做訪問學者，其間與約瑟夫·泰勒合作做了大量關於脈沖星的研究，並在其中發現了脈沖雙星PSR B1913+16。通過對其長期的觀測和深入研究，他們發現雙星之間的距離在以每天7.42mm左右的速度縮短，且周期在緩慢地衰減，說明能量在耗散。而能量的耗散，正是引力波存在的間接證據！因為這項成就，他們被授予1993年的諾貝爾物理學獎。

9. 引力波是什麼，怎樣才能找到它

大質量的物體會改變空間的結構，而加速運動的物體則可能產生一種能改變空間結構的波。這一般被稱為時空漣漪，也就是引力波（gravitational wave）。引力波作為愛因斯坦廣義相對論的四個預言之一（其他三個是：引力場內的時間膨脹，光的引力紅移，以及引力時間延遲效應），是最後一個被直接觀測到的現象。1935年，納森·羅森和愛因斯坦共同將著名的愛因斯坦場方程簡化到二維圓柱狀宇宙後，獲得了這個方程的解析解。正是在這個解析解中，他們發現了引力波的存在。起初，科學界包括羅森和愛因斯坦自己在內都不相信引力波在實際意義上真正存在。他們起初將其解釋為在解方程過程中因坐標選擇而產生的人為產物，並嘗試發表論文聲明這一觀點。不過，霍華德·羅伯特遜，一位對廣義相對論非常了解的美國數學物理學家，在審閱他們的論文後，一針見血地指出這一觀點存在錯誤，並駁回了那篇論文。而後，在與愛因斯坦的討論中，羅伯特遜說服了愛因斯坦。然而直到七十年代，「引力波是真實存在的」這一觀點才幾乎被所有的物理學家所接受。根據愛因斯坦的預測，引力波經過的地方，時空的結構會發生波動性的改變。想像空間里的一個正方形，原本每個邊的長度是相同的，當引力波經過的時候，會擠壓或拉伸這個正方形，而使得它的邊長發生非常非常微小的變化。測量兩個方向上的距離改變，也就是測量引力波的基本原理。但是，由於這種改變非常微小，測量也就非常非常困難，以至於有時科學家們也會懷疑最終是否能夠測量到引力波。據說，一個激光干涉引力波天文台項目的領頭人曾在講座上說，「有時候我在床上躺在老婆旁邊，就在想，天哪，過去的20年我花了國家那麼多錢，卻沒有測到引力波。為什麼我還好好地活在這里? 真應該自殺去!」二十多年的努力卻沒有探尋到結果, 的確很讓人絕望。不過，科學家們始終堅持不懈，也是因為有點底氣。1974年，拉塞爾·赫爾斯在他博士最後一年寫論文的時段，跑到康奈爾大學的阿雷西博天文台做訪問學者，其間與約瑟夫·泰勒合作做了大量關於脈沖星的研究，並在其中發現了脈沖雙星PSR B1913+16。通過對其長期的觀測和深入研究，他們發現雙星之間的距離在以每天7.42mm左右的速度縮短，且周期在緩慢地衰減，說明能量在耗散。而能量的耗散，正是引力波存在的間接證據！因為這項成就，他們被授予1993年的諾貝爾物理學獎。