美国路易斯安那州利文斯顿市的激光干涉引力波天文台的资料照片
2月11日，LIGO(激光干涉引力波天文台)宣布：发现距离地球约13亿光年的两个黑洞并合产生的引力波。此发现不仅证实引力波的存在，而且补上了爱因斯坦提出的广义相对论一块关键的拼图。
如果爱因斯坦现在还活着，他将会再次获得诺贝尔奖。当然今天引力波的发现者也有充分的理由荣膺这一殊荣。
广义相对论为什么要改变引力观
为什么苹果总是垂直地落到地面?为什么不从侧面又或是向上，而是永远朝向地球的中心?一定有某种力量把苹果垂直地拉向地面。这种力量甚至可以延伸到更远的距离以至于整个广袤的宇宙空间。正是引力把宇宙中的物质聚集在一起，孕育了璀璨的宇宙结构乃至生命。
1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中正式发表了他的引力理论：“宇宙中每个质点都以一种力吸引着其它各个质点。这种力与各质点的质量乘积成正比，与它们之间的距离平方成反比。”引力并非只存在于特定的质点之间，而是普遍存在于宇宙中任何两个质点之间。因此引力是“万有的”。那个时代的人们信奉绝对的时空观：时间就是时间、空间就是空间，这两者是截然不同的两个概念。在牛顿引力理论中质点间引力相互作用的传递不需要时间，而是在空间上瞬间传递。这种观念主导了之后两百多年人类对引力的认知。
直到1905年，爱因斯坦提出狭义相对论才打破自牛顿以来建立的绝对时空观。在狭义相对论中，时间和空间不再是完全独立的概念：时间和空间是相对的。无论光源如何运动，真空中的光速对于不同的观测者都是有限且一样的，而且任何相互作用的传递都不能超过光速。这明显与牛顿引力理论相冲突。
为了协调牛顿引力理论和狭义相对论，1915年爱因斯坦提出了广义相对论。引力被解释为时空几何的弯曲，这种弯曲又直接由时空中物质的能量动量张量决定。地球对苹果的引力源于地球巨大的质量扭曲了地球周围的时空，苹果在被地球扭曲的时空背景上向着地心运动。就像在一张蹦床中间放置一个铅球，这个铅球改变了蹦床的形状。如果再在蹦床上放置一个网球，那么这个网球就会向着这个铅球的中心滚落。看上去就像是这个铅球在吸引着这个网球向它靠拢。对普罗大众而言，广义相对论听起来像是一个高度抽象而又与大家每天的生活完全无关的理论。事实绝非如此!比如现在广泛使用的全球定位系统就需要计入狭义和广义相对论的修正才得以实时地精准测定地面上物体的位置。
在牛顿引力理论中引力是瞬时传播的，因此没有引力波。但是，在广义相对论中物质对时空几何的影响不是瞬时的，引力相互作用传递的速度不能超过光速。这种传播速度的限制导致引力波的存在。加速一个有质量的物体时，这个物体所产生的时空弯曲所发生的变化会以光速像波一样向外传播。这就是引力波。1916年爱因斯坦写下了广义相对论中引力波的精确公式，从而预言存在以光速传播的引力波。
“激光干涉效应”是个天才设想
当引力波迎面穿过遥远的观测者时，观测者会发现他一会儿变高变瘦、一会儿又变矮变胖、一会儿又变高变瘦，如此循环往复。
尽管爱因斯坦预言存在引力波，但是由于引力波辐射的能量常常过于微小，以至于在所能想到的情况下引力波辐射都是可以忽略不计的。地球距离半人马座如此遥远以至于光都需要跑上大约4.3亿年。但是引力波造成地球和半人马座之间距离的变化也就只有约一根头发丝般大小。探测引力波就是要去发现如此微小的距离变化。或许爱因斯坦甚至都未曾想过他当年所预言的引力波在百年之后的今天真的可以被探测到!看来做科学研究也是要敢想才会赢。
很显然，要探测到引力波需要两个条件：其一是要有足够强的引力波源;其二是要有足够灵敏的探测器。
宇宙中有各种各样的引力波源。螺旋形相互靠近的两个致密天体在相互环绕和并合时会发射出强大的引力波。就像两个铅球在蹦床上相互环绕运动时蹦床会起伏、震颤，而且这种起伏、震颤像波浪一样向外传播。这两个天体越重，它们靠得越近，那么这样的一个双星系统产生的引力波就越强。要同时满足这两个条件需要这两个天体十分致密。在宇宙中这样的致密天体主要有白矮星、中子星和黑洞。特别是黑洞，它在极小的半径内聚集大量的质量，以至于产生极强的引力导致光都无法从中逃逸出来。举一个例子：太阳的质量大约是2千亿亿亿吨，半径大约是70万公里，而一个和太阳同等质量的黑洞的半径只有约3公里。一般认为最有希望探测到的引力波将会来自双黑洞并合。不幸的是双黑洞并合的事件在我们的银河系中大约每百万年才发生一次。如果探测距离可以扩展到数十亿光年的距离，这个距离之内有数百万个星系，那么人们仍有机会探测到在遥远的地方发生的黑洞并合所释放出来的引力波。
要测量微小的距离变化，就需要想办法把这种微小的变化尽可能地放大到足以被感知的程度。上世纪九十年代，美国麻省理工大学的维斯就想到一个绝妙的办法：利用激光的干涉效应来侦测引力波。简单来说就是让一束激光以45度角打到一个半透镜上。之后这束激光被分成两束分别朝着透射和反射两个互相垂直的方向行进，然后各自撞到一面反射镜后反射回来重新汇聚。如果两面反射镜和透射镜的距离精确相等，汇聚后的激光就会由于干涉而相互抵消。当引力波传来时，这两面反射镜到透射镜的距离就会发生微小的变化(沿着一个方向收缩，沿其垂直方向延展)。这种微小的距离变化最终影响汇聚后激光的干涉条纹。这就是利用激光干涉探测引力波的基本原理。
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