2017年10月3日，瑞典皇家科学院宣布授予Rainer Weiss，Barry C. Barish和Kip S. Thorne 2017年度诺贝尔物理学奖，以表彰他们在“LIGO探测器和引力波观测中的决定性贡献”。那么什么是引力波，引力波有会怎样改变我们对宇宙的认识呢？

2017年诺贝尔物理学奖获得者

1. 时空也会发生“地震”

100多年前，爱因斯坦创立的狭义和广义相对论，彻底地改变了人类对时空的认识：时间和空间不再是过去认为的那样是分离的两个对象，也不再静止不变，而是其自身也可以运动起来，表现出时空弯曲和引力波等种种现象。

超弦理论指出时空会发生“地震”

我们描述运动，需要在时空这个框架下，即时空是物质运动的舞台。而引力波可以说是时空这个舞台自身一种运动形式。我们知道两个花样滑冰运动员在冰面上绕彼此旋转，随着彼此靠的越来越近，由于体系角动量守恒的缘故，他们的旋转速度会越来越大。如果他们不是站在结实的冰面上，而是在橡皮膜上做上述运动，情况会怎么样呢？可以想象，橡皮膜会由于二者的体重而塌陷，改变其形状。二人绕彼此旋转时，也会同时带动橡皮膜本身震动，而这种震动会以波的形式传播到远方，就有可能被离橡皮膜很远的一只小蚂蚁感受到。在现实宇宙中，诸如中子星或黑洞等超高质量天体，在运动过程中时空这个舞台就不再是显得那么刚性，而是会像橡皮膜那样被扭曲，引起时空“地震”。如果“地震”足够大，且离地球足够的近，我们人类“小蚂蚁”就有望感知到这种震动。这种震动就是引力波

2. 理论到实验发现的百年历程

但是，通常情况下，发生这种时空“地震”的概率很小，并且震源一般会离地球非常远，就会使得这种“地震”的幅度异乎寻常的小，那么在地球上探测引力波就会非常困难。

不知对人类来说是幸运还是不幸运，这种“时空地震”引力波是如此的微弱和稀有，人类花了半个多世纪才得以目睹引力波真容。

引力波干涉仪的基本结构

引力波探测仪是放大版的迈克尔逊干涉仪，主要由两个互相垂直的长达数千米的臂、穿梭于两臂的激光和反光镜构成。引力波到来时，会引起两臂长度细微变化。但由于变化实在是太小了，如何提高灵敏度，排除各种噪声信号是关键。

探测引力波的尝试，始于20世纪60年代。美国物理学家约瑟夫-韦伯（Joseph Weber）利用类似音叉的原理，来测量金属铝圆柱体和引力波特定频率的共振。他声称观测到了引力波。可是由于他的实验没能被其他物理学家重复，且数据分析存在缺陷，因此其结果不为大多数科学家认可。1962年，苏联的科学家Gertsenshtein和Pustovoit提出，利用激光干涉仪探测引力波。随后几十年里，这个实验方案一直沿用和发展。1967年，麻省理工学院的物理学家Rainer Weiss，造出了第一个1 m长的引力波激光干涉仪原型，并在其后的工作中，确立了各种降低实验噪声的技术路线，包括地震、热噪声、引力梯度、真空热梯度、地磁等。Weiss的开创性工作，为他赢得了2017年诺贝尔物理学奖。此外，这一时期加州理工学院的Kip Thorne也开始对引力波进行了深入的理论探索，包括预言各种引力波源的信号以及如何分析其实验信号。这些研究表明引力波的探测是可行的，给后续引力波实验增加了信心，Kip Thorne也因此被授予2017年的诺贝尔物理学奖。

探测到宇宙中引力波的爆发

2017年8月17日，LIGO-VIRGO组合又观测到了中子星合并的引力波事件。在LIGO-VIRGO给出引力波“警报”后，全球数十台天文望远镜，包括中国的“慧眼”X射线卫星，也开始在不同波段寻找并记录对应的电磁信号。这是人类观测到的第5次引力波信号，第一次中子星合并引力波信号，第一次实现引力波和电磁波信号的同时观测。

3. 引力波探测的关键性技术

进入20世纪80年代，麻省理工的研究小组在美国自然科学基金会（NSF）的资助下，开始探讨千米级长度的引力波干涉仪的可能性。研究蓝皮书表明建设千米级探测器是可行的，能达到所需的探测精度，同时科学家建议建造相距几千km的两个5 km长的干涉仪。加州理工学院随后也建立了40 m长的原型机。

LIGO总长度八千米，两个干涉仪分别位于美国南海岸Livingston和美国西北海岸Hanfo

1984年，LIGO（laser interferometer gravitational wave observatory）项目筹建工作正式开始。经过多年反复的申请、被拒、再申请、再被拒的过程，终于在1991年得到了NSF的资助，正式开始了LIGO建设。LIGO一共有两个探测器，相距3002 km，分别位于美国路易斯安那州和华盛顿州。1994年，Barry C. Barish出任主任，其出色的领导工作为他赢得了2017年的诺贝尔物理学奖。然而第一代的LIGO建成后并未探测到引力波信号，因此于2008年又开始了升级计划，即Advanced LIGO，并于2015年完成了升级改造，探测灵敏度提高了10倍。与LIGO同时期建造的引力波探测器还有VIRGO，它位于意大利比萨市，1996年开始建造，并于2003完成并运行，2016年完成升级到第二代（Adv-VIRGO），使得灵敏度提高了约一个量级。

4. 人类认识宇宙的新机遇

引力波观测的实现，无疑是人类认识自然的里程碑事件。人类从史前开始，就对浩瀚的宇宙有与生俱来的好奇与敬畏。但人类至今还迈不出太阳系，只能靠光子、宇宙射线粒子等信使来认识宇宙。长久以来，可见光范围的光子是宇宙传递到地球的唯一信使，直到近代才扩展到X光、伽马光的范围。另外宇宙射线粒子，包括电子、质子和其对应反物质，乃至中微子都在近代得到了发展。而引力波，为人类打开一个全新的认识宇宙之窗。也正是因为如此，引力波探测很快地被授予诺贝尔物理学奖。

正如诺贝尔奖委员会在其物理学奖颁奖新闻中所说：“各种电磁辐射、宇宙射线和中微子等，已经被用于宇宙探测。但是，引力波是对时空扭曲扰动的直接证明。它是一个全新的、完全不同的东西，为我们打开了未知的世界。如果谁能在后续捕获并解释引力波，那么等待他的将是大量的全新发现”。

我们的地球只是宇宙中的一片尘埃

事实上，国际上除了在运行的LIGO和VIRGO引力波探测器外，还有大量其他在建或计划中的引力波探测项目，包括：日本的KAGRA，美国和印度的LIGO-印度，欧洲的爱因斯坦望远镜，激光干涉太空天线（LISA），以及中国的天琴计划、太极计划和阿里计划等。这些新的引力波探测项目，必将为人类展示更为清晰的宇宙画卷！

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