引力波發現的時間

　　在2016年2月11日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經利用高級LIGO探測器，已經首次探測到了來自于雙黑洞合并的引力波信號。

　　引力波的定義

　　雖然科學家們對引力波的研究有史已久，但對引力波的定義并不明確。至少給人兩種印象。

　　1）引力波是從物體內部的質量中輻射出來的波。這種波形成了引力場，引力是通過引力波傳遞的，從而導致了引力現象的出現。這種波有點像電磁波那樣是由波源（物質質量）輻射出來的。這樣的波是微觀的，頻率比較高。從理論上講，這種引力波的產生需要消耗物體（如星體）內部的能量。

　　2）引力波是兩個巨大天體之間出現的位置上的相對變化所產生出來的。例如一個脈沖雙星系中的兩個星體互相圍繞對方快速旋轉，從而產生出星體位置上的周期性變化。這種變化所產生出來的周期性引力場強度上的變化也是引力波。這種引力波是宏觀的，頻率都很低。從理論上講，這種引力波的產生并不需要消耗星體內部的能量。它在能量上的表現屬于勢能。因為這種波是靠距離的變化產生出來的。

　　引力波是怎么發現的

　　北京時間11日晚上的美國自然基金會新聞發布會確認，人類首次直接探測到了引力波，這可謂一件全球轟動性科學事件。

　　在過去的六十年里，有許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在做出了無數努力。其中最著名的要數引力波存在的間接實驗證據——脈沖雙星PSR1913+16。1974年，美國物理學家家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠鏡，發現了由兩顆質量大致與太陽相當的中子星組成的相互旋繞的雙星系統。由于兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，利用它的精確的周期性射電脈沖信號，我們可以無比精準地知道兩顆致密星體在繞其質心公轉時他們軌道的半長軸以及周期。根據廣義相對論，當兩個致密星體近距離彼此繞旋時，該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統總能量會越來越少，軌道半徑和周期也會變短。

　　泰勒和他的同行在之后的30年時間里面對PSR1913+16做了持續觀測，觀測結果精確地按廣義相對論所預測的那樣：周期變化率為每年減少76.5微秒，半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年后合并。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據，是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學獎。

　　在實驗方面，第一個對直接探測引力波作偉大嘗試的人是韋伯（Joseph Weber）。早在上個世紀50年代，他第一個充滿遠見地認識到，探測引力波并不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終，韋伯選擇了一根長2米，直徑0.5米，重約1噸的圓柱形鋁棒，其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器，被業內稱為共振棒探測器（如下圖）：

　　韋伯的共振幫探測器只有2米，強度為10-21的引力波在這個長度上的應變量（2×10-21米）實在太小，對上世紀五六十年代的物理學家來說，探測如此之小的長度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測器沒能最后找到引力波，但是韋伯開創了引力波實驗科學的先河，在他之后，很多年輕且富有才華的物理學家投身于引力波實驗科學中。

　　在韋伯設計建造共振棒的同時期，有部分物理學家認識到了共振棒的局限性，有一種基于邁克爾遜干涉儀原理的引力波探測方案在那個時代被提出。到了70年代，麻省理工學院的韋斯（Rainer Weiss）以及馬里布休斯實驗室的佛瓦德（Robert Forward），分別建造了引力波激光干涉儀。到了70年代后期，這些干涉儀已經成為共振棒探測器的重要替代者。

　　自20世紀90年代起，在世界各地，一些大型激光干涉儀引力波探測器開始籌建，引力波探測黃金時代就此拉開了序幕。

　　這些引力波探測器包括：位于美國路易斯安那州利文斯頓臂長為4千米的LIGO（L1）;位于美國華盛頓州漢福德臂長為的4千米的LIGO（H1）;位于意大利比薩附近，臂長為3千米的VIRGO;德國漢諾威臂長為600米的GEO，日本東京國家天文臺臂長為300米的TAMA300。這些探測器在2002年至2011年期間共同進行觀測，但并未探測到引力波。在經歷重大改造升級之后，兩個高新LIGO探測器于2015年開始作為靈敏度大幅提升的高新探測器網絡中的先行者進行觀測，而高新VIRGO也將于2016年年底開始運行。此外，歐洲的空間引力波項目eLISA和日本的地下干涉儀KAGRA 的研發與建設也在緊鑼密鼓地進行。