心事浩茫连广宇，于无声处听惊雷——引力波的发现简介

一、什么是引力波

1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，认为引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。预言了宇宙中还存在一种神秘的能量，它以波的形式出现，但又虚无缥缈，诸如黑洞碰撞、超新星爆发这样的极端宇宙事件中都会出现。在接下来一个世纪中无数科学家日夜寻找，就是没有找到，这就是引力波。

图1爱因斯坦

二、引力波是怎样被观测到的

第一个对直接探测引力波作为伟大尝试的人是约瑟夫•韦伯。早在上个世纪50年代，他第一个充满远见地认识到，探测引力波不是没有可能。最终，韦伯选择了一根长2m、半径0.5m、重约1吨的圆柱形铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。当引力波到来时，驱动铝棒两端振动，从而挤压表面的晶片，产生可测的电压。

图2韦伯和他设计的共振棒探测器

韦伯的共振棒探测器只有2m，引力波在这个长度上的变化量实在太小，对上世纪五六十年代的物理学家来说，探测如此之小的长度变化确实非常困难。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河，在他之后，很多年轻又富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。

1986年在美国国家科学基金委的建议下，一批才华横溢的物理学家们被分成了两个组。一个是以索恩（电影《星际穿越》的科学顾问）为领导的加州理工小组，一个是以韦斯为领导的麻省理工小组。两个小组分别负责建造并启用全国性的科学装置——引力波激光干涉仪。

图3引力波激光干涉仪

其工作原理是，通过两个相互垂直的管道，控制两束相互垂直的光相干相消，此时光子探测器上没有信号。而引力波会将其中的一条拉长，将另一条缩短，使两束光的光程差发生变化，原先相干相消的条件被破坏，一定数量的光子进入探测器，从而得到引力波信号。

三、发现引力波的意义

爱因斯坦的广义相对论自从100年前提出以来，历经了重重考验，从对水星近日点进动的解释，到1919年爱丁顿对日全食时太阳附近光线偏折的研究，再到对引力红移的验证，每一次检验，相对论都从容应对。而这一次引力波的探测，更是有力地支持了相对论在强引力场下的正确性。至此，广义相对论的所有主要预言被一一验证，而这一个传奇的理论在经历了一个世纪的风雨后历久弥新。

现在，似乎又到了物理学突破山穷水尽的时刻，又是一个后辈只能修修补补的年代，对于一个物理学家而言，生于这个时代似乎是不幸的。可是，引力波的发现，又打开了一扇希望的大门。广义相对论和量子力学存在着根本性的矛盾，一直是现代物理学天际线上的一朵乌云。而极大质量和极小尺度的黑洞，是研究这一乌云最佳的着手点。引力波是唯一能深入探究黑洞的研究手段，对于一个物理学家而言，生于这个时代又是何其的幸运！

供稿部门：物理教研组

撰稿人：郑炜宇