寻找引力波的最佳方法

1. 科学家通过光子研究，发现了哪些宇宙的秘密

随着微观粒子被人类不断的研究和熟知，这将会对宇宙的认知产生巨大的影响，从而改变人类的研究方向。

人类的科学进步往往都是以点带面的，一旦在某个领域实现突破，那么就会让人类整体的科技水平有一个很大的提升，所以就让我们期待暗物质、引力波被真正的发现吧。

2. 引力波的直接观测为什么很难

简单的说，直接观测的难度来自：从地球上能观测到的引力波太弱了。

为了让这个答案尽量完整，首先我们来看看什么是引力波。

在广义相对论中，引力是质量引起的时空弯曲。如果我们把四维时空想象成一个二维的平面（如水面），就可以用下面的例子来类比时空弯曲。

小虫的脚对水面有压力，造成水面向下凹陷。如果它抬起一只脚，凹陷的水面会上升，并且在水面上荡起一圈圈波纹。

在这个例子中，压力变化造成水面曲率的变化，并且以波的方式向四周扩散。同样，空间中质量分布的变化也会让时空曲率发生变化，并且以波的方式向各个方向扩散。这个波就是引力波。下面是中文维基上对引力波的定义（重力波 (相对论)）。

引力波是指时空曲率以波的形式从源头向外传播的扰动，这种波以重力辐射的形式传递能量。我们可以从以下几点来认识引力波。首先，引力波不是引力。一个天体即使质量再大，如果它保持静止或者做匀速直线运动，是不会产生引力波的。我们要求质量分布的变化。

其次，球对称或圆柱对称的质量分布的变化不会产生引力波。所以以下情况都不会产生引力波。恒星（近似为球体）自转。脉动变星周期性的扩展和收缩。太阳进入红巨星阶段，体积增加。而下面是一些有引力波产生的情况。

双星系统。近距离相互围绕旋转的致密星体（白矮星，中子星，黑洞）是重要的引力波源。由于引力波辐射会带着双星的动能，所以它们会逐渐接近，最后结合。从这个角度来看，引力波辐射实际上限定了双星系统的生命期。如果双星系统中有黑洞，引力波的强度会比较高。尤其是当两个超级黑洞合并时产生的超强度引力波对于探测仪有极高的信噪比。另一个特殊的例子是，当一个恒星质量的天体坠落到星系中心的巨型黑洞时，这个过程十分缓慢，地球上的探测仪可以在长达几年的时间内探测到相同的波形。

脉冲星。脉冲星是一种快速自转并带有强磁场的中子星。部分脉冲星本身质量分布并不均匀，所以它们在自传的时候造成了质量分布的变化，产生引力波。

超新星。一颗大质量的恒星走到生命的终点时，外层会以极高的速度向内核塌陷，速度可以达到每秒7万公里。这个塌陷通常是不对称的，所以会产生较强的引力波。

伽马射线暴。一般认为伽马射线暴来自快速自转的黑洞的诞生，如果是这样，那么在观察到伽马射线暴的同时，引力波也应该接踵而至。

大爆炸。在宇宙大爆炸中产生的原初引力波可以追溯到大爆炸后10^-24秒，也是引力波天文学的重要观测目标。

3. 宇宙大爆炸第一波的引力波震荡是怎么被探测到的

人类在宇宙138亿年时探测到了宇宙在10的负33次方秒时的原初引力波在宇宙38万年时产生的微波背景辐射中留下的痕迹。
(所以说不是直接观测到宇宙早期的引力波，而是在宇宙微波背景辐射中找到了引力波存在的迹象。)

想象一下大海的潮水退去后会在沙子上留下波的痕迹，宇宙中没有充斥沙子而是充斥一种叫做宇宙微波背景辐射，微波背景辐射是大爆炸的余晖，这种辐射无处不在，所以我们猜想在宇宙微波背景辐射中带有引力波留下的痕迹，于是又天体物理团队创造了非常灵敏的辐射探测器，并且把它装在一台位于南极的望远镜上（名为“BICEP”宇宙泛星系偏震背景成像），寻找痕迹（涟漪），经过几年的艰苦寻找他们在宇宙微波背景辐射中发现了漩涡状图案，随后3年多对其进行数据分析，排除了其他可能的来源，确认它就是暴涨期间原初引力波穿越宇宙导致的。计算机模型此前已经预测了这种背景辐射应当具备的特殊偏振模式（寻找的是一种叫做B模式的特殊偏振模式，其特点是会形成旋涡），从而使其能够与宇宙大爆炸之后的暴涨理论相吻合。所以这是自广义相对论预言引力波以来证明它存在的最直接证据，也是迄今暴涨理论最有说服力的证据。

宇宙微波背景辐射是一种弥漫整个宇宙的极微弱的辐射信号。根据宇宙学中的暴涨理论，银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度，扣除掉这个速度对测量结果带来的影响，以及银河系内物质辐射的干扰，宇宙背景辐射具有高度各向同性（在各个方向上的物理等属性一致），温度涨落的幅度只有大约百万分之五。这个理论可以解释为什么宇宙从一开始的奇点变成了现在这个均匀平滑的样子。1916年，爱因斯坦预言了引力波的存在，同时指出这种现象将极其微弱，因此他认为人类将永远也无法实际探测到它。所以三体中，研究人员说到世界末日都可能看不到COBE数据的太大变化，否则就是重大发现了。原初引力波的强度是非常弱的，目前应该不可能直接探测到（指利用引力波驱动物体运动的方法，这种方法在LIGO，VIRGO等实验中使用，不过探测的都是例如双致密星产生的引力波，而非原初引力波）。

所以现在一般使用CMB偏振来做间接探测。

原初引力波会导致CMB辐射的偏振场呈现类似磁场一样的B模式的形状。在排除星际尘埃这类前景的污染后，这种形状在一定尺度内只能由原初引力波产生。所以可以利用B模式探测来间接探测原初引力波。

4. LIGO到底是如何探测引力波的

LIGO控制室，图片来源：wikimedia

如果我让这个任务听起来很容易的话，其实它并不是。LIGO是被很多突破性的高端技术所环绕的，这些技术都是为了它专门定制的。每条长达四公里的干涉臂，在建造的时候必须考虑到地球的曲率引起的形状修正效应。每个探测器都必须要以极高的精度与地壳震动隔离起来，并且要置于真空环境中来避免污染物和气体对反射镜之间的激光产生影响。

两台探测器必须每次连续几个月纪录数据－从不错过一个数据点，也从不滞后。当你的探测器要绵延好几公里时，这本身就是一项技术上的挑战。LIGO可谓是一项工程和物理学奇迹，它是从古至今最精密复杂的机器之一，能够成为其中的一员是非常令人激动的。

本文作者：Ed Daw，谢菲尔德大学物理学学者

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5. 发现引力波：爱因斯坦又对了

从前，有一个人着迷于引力现象。他的脑海中进行着有关宇宙飞船和电梯的思想实验。最终他得出结论，引力不是传统的“力”，而是时空弯曲的表现。他沉浸在微分几何的研究之中，而微分几何是一种可描述任意弯曲时空的复杂数学。最终，他得到了一种思考时空的新方法，以一个不可思议的方程量化出了引力与物质和能量如何彼此影响。

他并没有停下思考的脚步，还利用自己的新理论得到了许多推论。其中之一是，引力的变化并不会立刻传到整个宇宙中，而是以引力波的形式传播出去，传播速度是光速。之后一段时间，他还曾对这个推论持质疑态度。不过最终，大多数的科学家都觉得这个推论很靠谱，值得检测一下。他们发起了一个雄心勃勃的计划，建立了一个在技术上堪称奇迹的探测器，可检测到引力波留下的淡淡痕迹。最终，在预言之后的100年，一个新闻发布会举行了。

当然，这个人就是阿尔伯特·爱因斯坦。而那个于2016年2月11日举行的新闻发布会，其内容许多人都已经知道了：借助于LIGO，即激光干涉引力波天文台，人类首次直接探测到了引力波。

研究人员表示，探测到的引力波是大约在13亿年前由两个中等质量的黑洞合并时产生的。这个引力波以光速向外传播，最终遇到地球。在2015年9月14日，LIGO的两个巨大的探测器捕捉到了这个引力波产生的信号。

爱因斯坦的广义相对论告诉我们，引力是时空弯曲的表现。如果把时空想象成一张巨大的橡胶膜，那么有质量的物体就会让橡胶膜弯曲，这就像你踩在蹦床上，蹦床网面发生弯曲一样。质量越大，时空被弯曲得越厉害，引力就越强。太阳质量非常大，它会导致其周围的时空发生严重弯曲。若是地球想在太阳周围弯曲的时空里走直线，你会发现地球事实上是在绕圈。所以地球绕着太阳转，其实并没有什么力拉着地球，只不过是这里的时空发生了弯曲。

如果你在蹦床上跑来跑去，那么网面可能会出现向四周传播的振动波。同样，有质量的物质进行加速运动时，可能会使得时空自身出现“涟漪”并向周围传播出去。于是，引力波随之而生。

事实上，任何有质量的东西都能产生引力波。如果我与你一起，彼此绕着圈来跳一支舞，我们也会产生时空的涟漪，但这个引力波太微不足道，根本无法探测到。因为引力是宇宙中所有作用力里最弱的一种，所以只有非常非常重的东西，以非常非常快地发生速度变化，我们才有能力检测到它们产生的引力波。其中一种能产生极强引力波的情况是两个黑洞或中子星发生合并前的最后阶段。

LIGO探测到的引力波是两颗距离地球约13亿光年远的黑洞发生合并时产生的。其中一个黑洞约有36倍太阳质量，而另一个约有29倍太阳质量。这两个黑洞绕着彼此旋转了亿万年之久，然而随着时间的流逝，它们不断辐射出引力波并损失能量，它们之间的距离越来越近，旋转的速度也越来越快。当它们之间的距离只有几百千米的时候，它们的旋转速度甚至超过了光速的一半。此时，这两个黑洞猛烈地扭曲周围的时空，产生强大的引力波，并释放出巨大的能量。之后，在不到一秒钟的时间里，两个黑洞碰撞在了一起，合二为一，形成质量约为62倍太阳质量的新的黑洞。这意味着，有大约3个太阳质量的能量在不到1秒里转化为引力波的能量。在它们合并前最后20毫秒里，辐射出的引力波能量功率最高达到了约3.6×1049瓦特，大约是整个可观测宇宙中所有恒星光辐射总功率的50倍。合并而成的新黑洞会迅速平静下来，逐渐变为一个扁平球状的高速旋转的黑洞。它会在最后微微抖动几下，然后这里的时空再次恢复平静。

引力波当然是看不见的。不过当引力波传过来时，它会在一个方向上拉伸，在另一个方向上挤压，这两个方向都垂直于引力波传播的方向。如果我们能检测到引力波引起的时空拉伸与挤压，那么我们就可以说检测到了引力波。

但如果你我之间的时空拉伸或挤压了，仅拿着普通尺子测量你我之间的距离，是检测不出来拉伸或挤压现象的，因为尺子本身也被拉伸或挤压了。但是有一个尺子不会受到影响：利用光速的尺子。光在真空中的速度永远是个定值，那么如果两点间的距离被拉伸了，光就需要用更长的时间从这点跑到那点。而如果是被压缩了，光则需要较短的时间。而这就是LIGO实验的出发点。

LIGO现在有两个探测器，一个位于美国路易斯安那州的列文斯顿，另一个位于美国华盛顿州的汉福德。它们相隔3000多千米——坐飞机大约需要3个半小时，不过对于引力波来说，只需要不到万分之一秒就能到达。每一个探测器都由两个约3.5米高的互成直角的混凝土管道构成，管道有4千米长，从高空看上去就像一个巨大的L。

LIGO的探测器内，一束激光束会被分为两束，分别射向两个彼此垂直的管道里。激光束会被管道末端安装的镜子反射回来，并回到检测器里。在检测器里，一束激光的波峰正好与另一束激光的波谷相对。这样，两束激光再次合到一起时，可以彼此抵消对方，检测器检测不到光信号。而当有引力波通过时，两个管道的长度会发生改变——一个会被拉伸，那么另一个则被挤压。管道不断地被挤压和拉伸，交替变化，直到引力波完全通过。管道长度的变化使得两束返回的激光束的波峰与波谷时而相对，时而错位。这样，两束激光再次合到一起，不能彼此抵消对方，光信号出现，这就表明引力波被检测到了。

然而，从13亿光年之外发出的引力波，到了地球这里，无论多强也会变得极为微弱。LIGO要想检测到引力波，其敏感度需要达到令人难以置信的高度——它需要在1千米的长度上找到质子直径千分之一的空间变化，或者说需要在太阳到比邻星（约4.22光年）的距离上测出小于头发丝宽度的距离变化。

LIGO最终达到了这种敏感度，成为人类所建造的最为敏感的设备，而且对除了引力波以外的其他任何东西都不敏感。

可想而知，达到这种程度的敏感是多么不容易。激光束穿过的管道需要处在一个近乎完美的真空之中，而将管道抽成真空就需要40多天。而且，还要消除掉外界环境对设备的影响。有许多意想不到事情都可能带来干扰，例如临近的海风、野外的狼叫、远处的雷电、经过的汽车、供电系统的不稳，甚至镜子中原子的不稳定等等。科学家们想出了各种各样的办法，来把每一个干扰都排除出去。例如说，反光镜子被挂在一个复杂的悬架系统上，这悬架系统可抵消掉地震或日常生活引起的地表抖动。

另外，科学家们还建立了两个相隔3000多米的探测器，只有两边同时观测到一致的数据，才能说明问题。当然，还需要考虑许多其他上万个细节。例如，研究人员在调试系统时需要用清洁时所使用的工具，穿上全身覆盖的防护服，来防止任何皮肤细胞或灰尘落到精密的光学仪器上……

LIGO探测器在2002年到2010年进行了首次运行，检测的结果是个干净的零蛋。之后探测器下线，开始了为期5年、耗资2亿多美元的升级。升级后的LIGO被称为先进LIGO，敏感度是原来的4倍多。先进LIGO准备于2015年9月18日开始正式运行，然而就在此前几天，LIGO还处在工程测试运行阶段，就检测到了那个历史性的信号。

2015年9月13日，LIGO的研究人员忙了一整天，进行了一系列的测试工作。他们在第二天凌晨4点收工了，大家都开车回家，留下设备静静地采集数据。而在当地时间凌晨4点50分，那个远在13亿光年之外的两个黑洞合并时产生的引力波抵达了地球，以相隔7微秒的间隔先后通过了LIGO的两个探测器。

在欧洲远程监控LIGO的科学家们首先注意到了信号的抵达。他们疯狂地给他们的美国同事发邮件。团队的其他成员都醒了过来，消息迅速蔓延开来。但是，几乎每个人都对此持怀疑态度，因为这个信号过于完美，与爱因斯坦理论预言的一模一样。

他们首先想到的是这可能是一个“盲注”的结果。LIGO团队中成立了一个3人的秘密小组，专门负责“搞破坏”：他们可能会在观测数据中人为地注入假信号。这种被称为“盲注”的手段能使LIGO团队始终对数据保持警觉。但在这一次，没有任何人进行过“盲注”。于是，LIGO的研究人员开始分析这一探测结果的有效性。他们仔细观察各种仪器的输出数据，搞清楚每件设备是怎么设定和校准的，每一行软件代码都要分析，他们还把所有可能的环境干扰列了一个单子，来逐一排查。最后，他们才明白了他们真的检测到了引力波，其可信度高达99.99994%。

2015年9月14日的发现，现在正式命名为GW150914。虽然LIGO得到的引力波信号只持续了大约0.2秒，但是科学家可以从中提取出许多令人惊讶的信息。他们分析出了这个引力波是由两个黑洞合并产生的，而且还分析出了黑洞的大概位置、质量、运动速度、黑洞边界相接触的时刻等各种信息。这个发现还是第一个表明双黑洞系统真实存在的观测证据。

事实上，LIGO检测到了那个历史性的信号之后，还检测到了更多的引力波信号。尽管那些信号没有第一个信号那么强烈，但这能说明他们最开始的发现并不是一次偶然的疯狂事情。

引力波的发现，验证了广义相对论最后一个未被实验直接证实的预言，爱因斯坦又预言对了。但这个发现的意义不止于此。

之前，宇宙所有的知识几乎都是借助电磁波和观测粒子得来的。在400多年前，伽利略利用他自制的望远镜开启了用可见光了解宇宙的时代。从那时开始，科学家们不断提高观测水平，又学会了从无线电波段、微波波段、红外波段、紫外波段、X射线和伽马射线了解宇宙。科学家们还学会了通过分析宇宙射线和中微子了解宇宙。但是，大部分宇宙是黑暗的，我们无法用天文望远镜直接观测。而引力波是时空本身的涟漪，可以直接穿越黑暗，因此，它为我们了解这些事物提供了一个前所未有的方式。

例如，通过这次检测到的引力波，科学家知道了两个黑洞合并的细节。LIGO还可观测中子星碰撞，或观测一个中子星被黑洞撕裂的过程等等。

另外，LIGO还可以用来观察一种只在理论中出现过的物体。一些理论认为，早期宇宙会产生一种比一个原子还要细的线性结构，但它可以有好几光年长，而且物质密度十分高，几厘米就可重达1亿亿吨。这种线性结构叫做宇宙弦。这些宇宙弦总有一天会与自己或其他的宇宙弦打成结。打结时，结点会发生断裂，并辐射出一种特别形式的引力波。如果能探测到这种形式的引力波，我们就找到了宇宙弦的踪迹。

所以说，引力波为我们了解宇宙开启了一扇新的窗户。这就像你的一生都曾失聪，直到有一天你的听力恢复了一样！你将可以用这个全新的方式聆听并探索这个世界。

巧合的是，LIGO可以检测到的引力波的频率正好处在人耳听觉频率范围之内。9月14日检测到的引力波频率，在很短的时间里从35赫兹增大到250赫兹。如果把它转变为声音信号，那么它听起来像一个滑音。你可用你的手指从钢琴键盘的最低音快速滑动到中央C，就可重现这种声音。

不同的天文学现象会发出它们自己特有的引力波。例如，双中子星听上去像短笛，孤立的脉冲星可能像三脚铁一样发出一个单频音，而黑洞则是乐团中的弦乐手。不过，LIGO只能听到小提琴和中提琴。那些超大质量黑洞所发出的引力波频率更低，这得需要未来其他的不同敏感度的引力波探测器来探究了。

现在，许多引力波探测器已在筹备之中，有些已经开始了建设。而这次引力波的发现，肯定会掀起进一步研究引力波的热潮，引力波天文学的时代已经来临。借助引力波，我们可能会在不远的未来发现以前从未想象过的事物。

从预测到现实

——寻找引力波的百年历史

1915年：爱因斯坦提出了广义相对论，解释了引力其实是质量或能量引起的时空弯曲。

1916年：爱因斯坦提出有质量的物质在某些加速运动的情况下会产生时空的涟漪——引力波。

1936年：爱因斯坦在一篇论文初稿中认为引力波不应该存在。之后，他把这篇论文投到一家着名的物理学期刊时，审稿人指出了他论文的错误，爱因斯坦避免了一次乌龙。

1962年：两位俄罗斯物理学家发表论文简述了用光学仪器检测引力波的方法，然而没人注意到他们的论文。

1969年：美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯声称使用他的铝棒检测到了引力波，但后来的重复实验都一无所获。

1972年：美国麻省理工学院的莱纳·魏斯独立提出了可以用光学方法来检测引力波。

1974年：美国天文学家罗素·赫尔斯和泰勒·约瑟夫发现一对中子星会因辐射引力波而失去能量，并导致运动放缓，之后他们因此发现获得了诺贝尔奖。

1975年：美国加州理工学院的基普·索恩认为魏斯的检测方法可行，他们开始筹备LIGO。

1981年：美国加州理工学院已开始建造一个探测臂有40米长的原型，苏格兰物理学家罗纳德·德雷弗负责建设，并在建造过程中不断改进魏斯的设计。

1990年：魏斯、索恩和德雷弗说服美国国家科学基金会资（NSF）来资助LIGO的建设。这个项目将要花费2.72亿美元。

1992年：LIGO设施选址在华盛顿州和路易斯安那州，两年之后开始开工建设。

1995年：位于德国的GEO600引力波探测器开始开工建设，并在2002年开始收集数据。

1996年：位于意大利的VIRGO引力波探测器开始开工建设，并在2007年开始收集数据。

2002～2010年：LIGO开始初次运行，但没有检测到任何引力波。

2007年：LIGO团队与VIRGO团队同意共享数据，形成了一个全球性的引力波探测网络。

2010～2015年：花了2.05亿美元对LIGO进行升级。

2015年：先进LIGO在9月份开始运行，在测试运行阶段就检测到了引力波。

2016年：2月11日，NSF和LIGO团队向外界宣布他们成功探测到了引力波。

（本文源自大科技*科学之谜 2016年第4期文章重点文章）

6. 如何利用迈克尔逊干涉仪探测引力波呢

引力波应该来自所有的超新星，并反射类似于伽马射线爆发的模式。然而，从未有干涉仪探测到超新星发出的引力波。这是因为引力波本身是以空间压缩波的形式传播的。组成干涉仪的亚原子粒子本身也是由太空构成的;因此，当空间波动时，干涉仪也波动，干涉仪内的光路也波动。干涉仪能探测到引力波的唯一方法是干涉仪独立于它所在的空间。

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)直接探测到了引力波，方法是测量仪器的一个臂与另一个直角臂的收缩。这些臂长4公里，激光束在这些路径上穿越了近500次，总旅行距离超过1000公里。

这个实验吸引了公众的想象力，并将与1887年着名的迈克尔逊-莫雷实验(它与迈克尔逊-莫雷实验相似)一起，成为实验物理学的伟大成就之一。(当你阅读第七章对这个实验的描述时，你会发现LIGO实验并不像你想象的那么难理解。)引力波的场性和引力波的存在现在已经确定无疑。

一个复杂的磁性仪器应该能够探测到干涉仪无法探测到的引力波。

7. 人类首次直接发现引力波，是怎么发现的引力波有什么作用

引力波是通过LIGO探测器发现的：
引力波本质上是空间的形变在传播。如果引力波传到地球，我们会在一个方向上被拉伸，在另一个方向上被挤压。LIGO计划就是要测量这种效应。LIGO有两条长臂，相互垂直。每条臂长达4公里。LIGO的长臂实际上是高度真空的长管。在每条长臂的两段悬挂着直径34厘米的反射镜，LIGO探测器利用激光干涉，不间断的测量每对反射镜之间的距离。
LIGO探测器一共的建成了两座，分别位于美国的华盛顿州和路易斯安那州，两地相距3000公里。引力波以光速传播，因此如果一束可探测的引力波扫过地球，两座LIGO探测器探测到信号的时间将有10毫秒量级的时间差。精确测量这个时间差可以帮助研究者确定引力波发出的方向。

引力波的作用：

1、理论上：引力的研究非常困难。在我们日常接触的大多数领域，广义相对论效应并不明显。我们至今只能通过天体运动，光线弯折等有限的方法研究引力。而这些方法仍然只能探测较弱的引力场，远远触及不到黑洞视界附近最为扭曲的空间。而引力波探测将打开一扇新的窗子，帮助人们了解空间最扭曲部分的动态变化——这种动态过程被基普·索恩称作几何动力学过程——使人们以前所未有的精度理解广义相对论（或者证伪它）。
2、宇宙中：如果没有引力波，目前所有天体的排布会全乱套，宇宙可能也不复存在。
3、近期作用：多了一种探测宇宙、研究基本物理的方法。
4、远期作用：对发现暗物质、暗能量可能会有帮助；也可能有助于人类理解、实践时空穿梭（或证明不可行）。

8. 引力波需要怎么寻找呢

根据爱因斯坦的预测，引力波经过的地方，时空的结构会发生波动性的改变。想象空间里的一个正方形，原本每个边的长度是相同的，当引力波经过的时候，会挤压或拉伸这个正方形，而使得它的边长发生非常非常微小的变化。测量两个方向上的距离改变，也就是测量引力波的基本原理。但是，由于这种改变非常微小，测量也就非常非常困难，以至于有时科学家们也会怀疑最终是否能够测量到引力波。据说，一个激光干涉引力波天文台项目的领头人曾在讲座上说，“有时候我在床上躺在老婆旁边，就在想，天哪，过去的20年我花了国家那么多钱，却没有测到引力波。为什么我还好好地活在这里? 真应该自杀去!”二十多年的努力却没有探寻到结果, 的确很让人绝望。不过，科学家们始终坚持不懈，也是因为有点底气。1974年，拉塞尔·赫尔斯在他博士最后一年写论文的时段，跑到康奈尔大学的阿雷西博天文台做访问学者，其间与约瑟夫·泰勒合作做了大量关于脉冲星的研究，并在其中发现了脉冲双星PSR B1913+16。通过对其长期的观测和深入研究，他们发现双星之间的距离在以每天7.42mm左右的速度缩短，且周期在缓慢地衰减，说明能量在耗散。而能量的耗散，正是引力波存在的间接证据！因为这项成就，他们被授予1993年的诺贝尔物理学奖。

9. 引力波是什么，怎样才能找到它

大质量的物体会改变空间的结构，而加速运动的物体则可能产生一种能改变空间结构的波。这一般被称为时空涟漪，也就是引力波（gravitational wave）。引力波作为爱因斯坦广义相对论的四个预言之一（其他三个是：引力场内的时间膨胀，光的引力红移，以及引力时间延迟效应），是最后一个被直接观测到的现象。1935年，纳森·罗森和爱因斯坦共同将着名的爱因斯坦场方程简化到二维圆柱状宇宙后，获得了这个方程的解析解。正是在这个解析解中，他们发现了引力波的存在。起初，科学界包括罗森和爱因斯坦自己在内都不相信引力波在实际意义上真正存在。他们起初将其解释为在解方程过程中因坐标选择而产生的人为产物，并尝试发表论文声明这一观点。不过，霍华德·罗伯特逊，一位对广义相对论非常了解的美国数学物理学家，在审阅他们的论文后，一针见血地指出这一观点存在错误，并驳回了那篇论文。而后，在与爱因斯坦的讨论中，罗伯特逊说服了爱因斯坦。然而直到七十年代，“引力波是真实存在的”这一观点才几乎被所有的物理学家所接受。根据爱因斯坦的预测，引力波经过的地方，时空的结构会发生波动性的改变。想象空间里的一个正方形，原本每个边的长度是相同的，当引力波经过的时候，会挤压或拉伸这个正方形，而使得它的边长发生非常非常微小的变化。测量两个方向上的距离改变，也就是测量引力波的基本原理。但是，由于这种改变非常微小，测量也就非常非常困难，以至于有时科学家们也会怀疑最终是否能够测量到引力波。据说，一个激光干涉引力波天文台项目的领头人曾在讲座上说，“有时候我在床上躺在老婆旁边，就在想，天哪，过去的20年我花了国家那么多钱，却没有测到引力波。为什么我还好好地活在这里? 真应该自杀去!”二十多年的努力却没有探寻到结果, 的确很让人绝望。不过，科学家们始终坚持不懈，也是因为有点底气。1974年，拉塞尔·赫尔斯在他博士最后一年写论文的时段，跑到康奈尔大学的阿雷西博天文台做访问学者，其间与约瑟夫·泰勒合作做了大量关于脉冲星的研究，并在其中发现了脉冲双星PSR B1913+16。通过对其长期的观测和深入研究，他们发现双星之间的距离在以每天7.42mm左右的速度缩短，且周期在缓慢地衰减，说明能量在耗散。而能量的耗散，正是引力波存在的间接证据！因为这项成就，他们被授予1993年的诺贝尔物理学奖。