引力波是本世紀證實存在的最重要科學事件，一度時期成為媒體熱炒，弄得一些民科混子也趁機從中作亂，甚至有那麼一個人宣稱自己發現了引力波，實在荒唐可笑。看到許多網路朋友對引力波還是一知半解，今天我們就來普及一下引力波的常識。
引力波是什麼
引力波是愛因斯坦100年前，在廣義相對論中的一個預言。廣義相對論認為，只要是非零質量的物體，都會導致時空彎曲，這種彎曲會形成一個向外無限延伸的“場”，所有物體包括光都只能在這彎曲的時空中沿著短程線運動，時空彎曲的效果就是以引力的方式表現出來。
這樣，牛頓經典力學萬有引力理論就得到了一次質的昇華，從根源上解釋了引力是怎麼來的。根據時空彎曲理論，任何物質，只要有質量而不管其大小，都會對周邊時空造成彎曲。
這些物質運動變化，就會對周圍時空造成擾動，形成像一塊石頭丟進水裡那種一圈圈波紋，向遠方擴散，這就是引力波，又叫時空漣漪。
這種波不是瞬時傳遞的，而是以光速傳播。
既然在我們周圍遍佈物質，這些物質都在不停地運動和變化，就會造成引力波，那為什麼愛因斯坦的預言提出100多年來，科學家們窮盡各種辦法，一直沒有檢測到引力波的存在呢？這是因為：
引力波是十分微弱的波，很難檢測到。
引力是四種基本力中最小的力，引力常量只有6.67*10^-11N，也就是兩個1公斤物質質心距離1米時的引力值。引力的這種特點，導致小質量物體產生的引力波就很難探測出來，如我們兩個人，或一架飛機、一座山的引力，我們根本無法感覺到。
因此，並非是小天體不發出引力波，而是難以探測而已。
上個世紀七十年代，美國麻省大學泰勒教授和他的學生赫爾斯，透過觀察雙中子星相互纏繞的現象，用愛因斯坦的理論精確精確計算出兩顆中子星軌道變化，從而間接證實了引力波的存在。由此他們獲得了1993年諾貝爾物理學獎，但引力波存在的直接證據一直沒有得到。
直到2016年2月11日，一組美國科學家宣佈，他們探測到了引力波的存在。這個發現被科學界認為完成了愛因斯坦廣義相對論預言中最後一塊缺失的“拼圖”。之前愛因斯坦廣義相對論預言的光線彎曲、水星近日點進動、引力紅移效應及引力透鏡、黑洞、宇宙微波背景輻射等，都被一一證實，只缺了這一塊。
這是一個具有里程碑意義的發現，由此將對未來宇宙天文學的發展和宇宙觀測，具有不可估量的突破性意義。為此，三位發現者雷納·韋斯（ Rainer Weiss）、基普·索恩（ Kip Thorne）、巴里·巴里什（Barry Barish）共同被授予了2017年諾貝爾物理學獎。
引力波探測的進展
最早嘗試探測引力波的是美國物理學家約瑟夫·韋伯，他設計製造了一個共振棒探測器，其核心部件是一根長2米直徑0.5米的鋁棒（上圖），原理是當引力波到達地球時，會交錯擠壓拉伸鋁棒的兩端。但前提是引力波頻率必須和鋁棒設計頻率一致，這種探測侷限性是很大的，探測出微弱的引力波幾乎是不可能的。
雖然韋伯聲稱探測到了引力波，但一直存在爭議，沒有得到科學界認定。1972年，科學家們在麻省理工學院召開了一次引力波研討會，有兩位科學家，一位叫託尼·泰森，一位叫理查德·高文，他們都宣稱韋伯的發現不存在，並指出其中的某些錯誤。
尤其是高文，固執的不信任韋伯，韋伯異常沮喪，兩人的爭執越來越厲害，竟發展到準備拳腳相向。正要開打時，主持會議的菲利普·莫里森教授一瘸一拐地走過來，舉起柺杖將他們分開，這場爭執才不了了之。
韋伯的探測成果雖然未得到承認，但他畢竟開了探測引力波之先河，由此激發了許多年輕科學家們的探測興趣，人們在他共振探測器基礎上，發明了基於邁克爾遜干涉儀原理的引力波鐳射干涉儀探測方案，引力波感應臂被鐳射替代，這樣將韋伯探測器的頻率侷限拉寬了很多，臂長也拉到千米級以上。
這樣，引力波探測頻率和精度都得到了很大提高。人類首次直接探測到引力波存在的裝置，是一臺叫“鐳射干涉引力波天文臺”的裝置，簡稱LIGO。2015年12月26日世界時間凌晨3點38分53秒，LIGO首次探測到一個引力波訊號，雖然這個訊號只將這個探測器4公里長臂移動了一個質子直徑萬分之一的尺度，卻被敏感的捕捉到了。
質子的直徑約1.6*10^-15米，這個尺度多大呢？我們用人的頭髮來比喻比較直觀：人的頭髮最粗可以達到100微米，是質子直徑的625億倍。而這次引力波對探測器4公里長臂的振動干擾，只讓其偏移了一根頭髮絲的625萬億分之一。
這就是現代科學能達到的高度，而且這種高度還在提升。
據歐洲航天局宣稱，計劃建造的空間引力波專案eLISA（演化鐳射干涉空間天線），是發射三顆衛星，將探測器鐳射干涉臂延伸到500萬公里長，三顆衛星構成一個邊長為500萬公里的等邊三角形。使用這樣的鐳射干涉法來探測引力波，精度將大大提升。
中國也在籌建類似eLISA引力波空間探測專案，是由中山大學羅俊院士領銜的“天琴計劃”，將在地球上空10萬公里軌道，設定三個衛星，形成等邊三角形，間距在10萬公里之上的引力波探測鐳射干涉臂。
從這些發展迅速的引力波探測裝置來看，上世紀之所以無法直接證實引力波的存在，是因為引力波的能量太微弱了，那時的裝置精度無法感受這種微弱振動。而在未來，將探測到越來越小的引力波。
為啥黑洞碰撞發生的引力波常被探測到
黑洞是宇宙中的頂級極端天體，一是質量大，最小的黑洞也有3個太陽質量以上；二是引力極端，在其史瓦西半徑內，任何物質都無法逃逸，連光也不例外；三是角動量大，被黑洞強大引力捕捉的天體和物質，在其附近都被撕碎，然後圍繞著黑洞旋轉，臨近黑洞事件視界（史瓦西半徑臨界點）時，線速度可達每秒數千公里甚至數萬公里，有時接近光速。
這樣的黑洞碰撞，爆發出的能量和引力波當然就更強大更容易被監測到了。自從發現了引力波，證明黑洞相撞的引力波是最強大的，其次才是中子星的引力波。當然，在地球上探測到的引力波能量，與引力波源與我們的距離成反比，也就是距離越近探測到的能量相對越大。
人類首次探測到並證實引力波存在的是兩個黑洞相撞，科學家們估計這兩個黑洞質量分別在36個和29個太陽這麼大，合併後的總質量約62個太陽，另外損失的3個太陽質量轉化為引力波向太空擴散了。這個引力波能量是巨大的，會迸發出強烈的伽馬射線和數萬億度的高溫。
但這兩個黑洞相撞事件距離我們太遠了，有13億光年。這樣巨大的引力波經歷了13億年的傳輸，到達地球的時空漣漪，就只推動了探測儀器4公里長臂移動1個質子直徑的萬分之一尺度。
除了黑洞，人類探測到的引力波源發自中子星。
2017年10月16日，世界許多國家的科學家同步舉行新聞釋出會，宣佈人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波。這次與以往不同的是，許多科研機構透過各種望遠鏡同時“看到”這一壯觀的宇宙事件發出的電磁訊號。這次的發現，更加證實了引力波運動速度與光速的一致性。
這次碰撞發生在距離我們1.3億光年的深空，也就是說引力波經歷了1.3億年才傳送到了我們地球。據科學家估計，這次碰撞，產生了約300個地球質量的黃金，還產生了鉑、汞、鈾等大量重金屬。碰撞產生了強烈的伽馬射線暴，達到2萬億度高溫。
我們地球上的黃金等貴重金屬，都是宇宙中這種極端事件中產生的，地球本身生成不了任何重元素。
2019年，LIGO又探測到了兩顆中子星相撞事件，這次發現是靜悄悄的，沒有哪個科學機構觀測到電磁訊號。但這次對中子星的質量以及碰撞後合併的質量有了新發現，人們發現這次碰撞的兩顆中子星質量合計達到太陽的3.4倍，比以往在銀河系發現的任何中子星雙星質量都要大。
由此可見，引力波的能量除了黑洞相撞，就是中子星相撞。到現在為止，還沒有發現其他宇宙事件的引力波。當然超新星爆發也會產生能量較大的引力波，我想未來也很容易探測到。
發現引力波的意義和重要作用
前面說了，引力波發現將對天文宇宙學發展以及宇宙探索有著重大突破性意義。為什麼這麼說呢？這是因為引力波探測將彌補電磁波和光學探測的不足，可以探測宇宙更遠更深入的情況。
我們知道，在宇宙中存在的四種基本力中，引力和電磁力作用範圍都是無限遠。光學和各種射電、射線都屬於電磁力範疇，理論上雖然可以探測無限遠，但光電探測有一個致命弱點，就是會被物質所吸收和遮擋。而宇宙中充滿了塵埃和各種天體，因此，遠方天體很容易被遮擋住，就很難探測到，或者難以探測得很清楚。
根據大爆炸宇宙模型，在宇宙大爆炸開始，到38萬年之間這個時間段，宇宙處於極端高溫高密度狀態，這段時間電磁波是被遮蔽的，無法溢位，也就是各種波段的光都被禁錮在宇宙這鍋濃密的粒子湯裡面，對人類來說是伸手不見五指的黑暗時期。
而宇宙在這38萬年間，發生了巨大變化，經歷了普朗克時間的普朗克溫度，也就是大爆炸開始10^-43秒時，宇宙溫度為10^32K，大小隻有10^-35米的尺度。以後又在10^-35秒時，發生了僅持續10^-33秒時間的暴漲，在這短短一瞬宇宙膨脹發生了100次加倍，也就是體積瞬間增加了10^30倍。
宇宙的四種基本力、各種粒子、電子、中子、質子、一直到中性原子生成的過程，都在這段時間裡。那麼，這一切是怎麼發生的，是不是符合模型預測，如果只是依靠電磁波和可見光來探測，人類就永遠也無法知曉。
因此，在沒發現引力波之前，人們把這段時期的宇宙叫“過去視界”，與可觀測宇宙之外的“未來視界”，是人類兩個無法探知的禁區。
引力波的發現和證實，為人類探測這段黑暗時期帶來了曙光。科學家們認為，只要未來人類的探測裝置足夠精密，總有一天，人類能夠探測到從宇宙大爆炸開始那一瞬間到38萬年電磁波（光線）出現前，這段黑暗時期的全部情況，人類將進一步瞭解宇宙的起源和變化過程。
雖然人類可能永遠也無法知道“未來視界”的情況，但透過對宇宙起源到現在的走向，基本就可以更精確地推測出宇宙的歸宿了。
因此，引力波的發現和證實，是人類在天文宇宙探測方面一個最偉大的進步，也是愛因斯坦對人類貢獻的一個新里程碑。
看了這些科普介紹，不知道各位朋友是不是對引力波有了一些更清晰的理解？歡迎討論，感謝閱讀。
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