本文来自微信公众号： 孔夫子百科 ，作者：newtonian6，原文标题：《伟大的实验——相对论拼图：时空之舞引力波》
为了用最直观的方式讲广义相对论，很多教授在课堂上都会用床单上的铅球作为例子：时空本来像一张拉平的床单，一个乒乓球在床单上会沿着直线滚过；如果有一个大质量的铅球放上去，床单就会被压出来一个坑，而此时如果再有乒乓球就不会再沿着直线滚动，而是会滚出一条曲线，甚至会绕着中央的铅球转圈。
看到这个例子脑子欠的人就会想：如果这个铅球在床单上晃悠的时候整个床单也会跟着晃悠，并且这种晃悠会以波的形式在床单上扩散开。那么时空中的巨大质量如果晃动，整个时空会不会也像床单一样跟着晃悠起来，且以波的形式向外扩散呢？
还真会。在爱因斯坦提出了广义相对论之后三年，他在此基础上又推导出了引力波的四极辐射公式，并且计算了这种辐射携带的能量。公式我就不写了，免得读者编程个位数。这个公式最夸张的地方是分母上有一个光速的5次方。脑补一下，光速已经是很恐怖的一个巨大的数字了，再5次方得多吓人，任你百千万亿的巨大数字，被这个光速的5次方一除还能有多大呢？这就注定了引力波是一个极其微小的物理效应。直观一点说吧，木星这么大一坨东西绕着太阳转圈发出的引力波比你家煮火锅的电磁炉大不了多少。想象一下要在几亿公里之外探测木星人是不是在吃木底捞，这是多么不可能的一件事，难怪爱因斯坦看到这个公式后就预言引力波永远不可能被探测到，并且大多数物理学家也这么认为。
然而物理学家从来不缺头铁的。第一个吃螃蟹的人叫做约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）。他的探测方案是用一个2米长、1米直径的铝圆柱体在真空里悬挂起来，并经过多级隔振保证其完全不受外界干扰。他的理论是：当引力波穿过地球时将引发铝圆柱体产生共振，从而就能被装贴在铝柱表面的精密振动传感器所探测到。1968年，韦伯宣称他探测到了引力波，引起了轰动。然而却从来没有别的实验团队能够重复他的实验，因而韦伯也成为备受争议的人物。
我到不觉得有什么争议，不管韦伯有过什么其它的成就，这件事情上他就是骗子。作为一个资深传感器领域的搬砖工，我敢说韦伯那套实验设备要真能测出引力波，我就整个给它吃肚子里去。不要说引力波耦合这事靠不靠谱，就算是真耦合了，通过机械方法探测到不足原子核直径的振动简直就是脑袋破洞痴人说梦。
不能直接探测不代表不能间接探测。根据爱因斯坦理论可以预言：当两个质量巨大的天体互相绕转时其系统能量会以引力波的形式辐射出去，其结果就是动能减少，导致两个天体越来越近，互相绕转的周期越来越短。1974年，美国天文学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒通过美国刚建成的阿雷西博大锅型射电望远镜发现了一对脉冲双星PSR B1913+16。经过长达二十年坚持不懈地观察，他们测量到这对脉冲双星的轨道周期在不断变慢，其变慢的规律和广义相对论计算出来的结果高度吻合，误差小于0.5%，从而间接地证明了引力波的存在，赫尔斯和泰勒也因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
不过间接测量总让人觉得是隔靴搔痒，直接探测到引力波的梦想始终在一些铁头科学家脑子里挥之不去。要直接探测引力波必须解决两个问题：首先要有质量足够巨大的物体做足够快的晃悠运动。幸运的是在宇宙中还真有这么极端的事件发生，那就是两个黑洞或者中子星这样的致密天体发生合并。当两个质量为太阳数倍到数十倍的中子星或黑洞相互绕转并最终合并时，最后的一瞬间运动速度可以达到光速的几分之一，每秒互相转上好几圈，这种运动能强烈地搅动时空产生超强的引力波。
不过即使这样极端的事件传播到上亿光年之外的宇宙空间之后也成了强弩之末，在地球上能探测到的变化不过百万亿分之一。因此这就提出了第二个要解决的问题：探测及其微小的距离变化。一个典型的恒星级黑洞合并事件经过几亿光年之后在地球上产生的变化不过是让每公里的长度缩10^-20米量级，大约是一个质子的千分之一。如此微小的变化对于工程的挑战简直是地狱十八层级别的。
不过地球人都知道，后来科学家们把这事干成了。至于怎么干成的，真不是一两句话说得清楚，关键是我也打算睡觉了。而且就算我今晚不睡觉写出来，以我的知识和文笔也写不出这事1%的精彩。这里我免费安利一本科学玄幻武侠纪实文学——《黑洞布鲁斯(black hole blues》，中文书名字就叫《引力波》，作者是天体物理学家珍娜·莱文（Jenna Levin）。这本书围绕引力波探测设备LIGO从萌芽到建成到大获成功一夜封神的故事展开，将四位顶尖科学家以及美国政府、各种学术机构和科学基金会之间的明争暗斗、勾心斗角写得精彩纷呈，让大家看到科学的艰辛不仅来自于科学本身，同时也会来自于人性的色彩斑斓，非常值得一看。