約瑟夫·韋伯和他設(shè)計的共振棒探測器。

10月16日22時，激光干涉引力波天文臺（LIGO）和處女座引力波探測器合作組織聯(lián)合召開發(fā)布會，宣布再次探測到引力波。早在1915年，愛因斯坦提出那么廣義相對論的最終形式，而作為廣義相對論重要預(yù)言的引力波，在過去的整整一個世紀(jì)里究竟經(jīng)歷了怎樣的故事呢？

不斷被質(zhì)疑的引力波

經(jīng)歷了一個月的理論修正后，在1915年11月25日，愛因斯坦向普魯士科學(xué)院報告了他的廣義相對論的最終形式，其中新的公式可以用來很好地解釋水星近日點進動和光線的引力偏折，自此廣義相對論最終被建立了起來。在之后的那一年里，處在興奮中的愛因斯坦再接再厲，在引入線性、低速等近似之后，從廣義相對論的場方程推導(dǎo)出了由源的質(zhì)量四極矩隨時間的變化引起的引力輻射項。并且，這種引力輻射攜帶能量。 

這種后來被稱為引力波的引力輻射項被提出后，引起了很多物理學(xué)家的關(guān)注。但是引力波到底是一種物理實在還是僅僅是數(shù)學(xué)上的形式，大家都不清楚。在這方面第一個發(fā)表文章表態(tài)的是愛丁頓爵士，1919年他在西非普林西比島觀測日全食，證實了廣義相對論對光線偏折的預(yù)言。1922年，愛丁頓爵士發(fā)表文章表示：引力波的本質(zhì)只是數(shù)學(xué)坐標(biāo)的波動，并沒有實際的物理意義。簡單地說，引力波并不真實存在。

1936年6月1日，美國物理學(xué)會《物理評論》編輯部收到一封投稿。投稿是愛因斯坦寫的關(guān)于引力波的論文。文章中，愛因斯坦認(rèn)為所謂引力波只是一種數(shù)學(xué)形式而已，這種波會因引力坍縮而不復(fù)存在。他推翻了自己1916年的結(jié)論，認(rèn)為引力波并不是廣義相對論的預(yù)言，也并不存在！

雖然此時的愛因斯坦已經(jīng)名滿天下，但是秉著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神，《物理評論》認(rèn)為對于絕對權(quán)威愛因斯坦的稿件也要送審。一個多月后，審稿人霍華德·羅伯遜將審稿意見返回，他認(rèn)為愛因斯坦的稿件有嚴(yán)重問題，必須大量修改。

由于審稿人是匿名的，愛因斯坦并不知道審稿人是誰。由于此次事件，愛因斯坦被激怒了，導(dǎo)致愛因斯坦和《物理評論》結(jié)下梁子，從此之后再也沒有給該期刊投過稿。因為愛因斯坦的名氣，后來這篇文章還是一字不改地在《本富蘭克林學(xué)院學(xué)報》上發(fā)表。

然而這戲劇性的事件并沒有結(jié)束，在之后的兩年中，愛因斯坦?jié)u漸發(fā)現(xiàn)自己之前的文章里面還是有問題的。并在1936年11月13日，重新給《本富蘭克林學(xué)院學(xué)報》編輯寫信說，之前文章是有錯誤的，文章需要根本性的修改。他修改后的文章推翻了上篇文章的結(jié)論，認(rèn)為引力波還是存在的。但是由于其過于微弱，我們不能探測到。直到愛因斯坦1955年逝世，對于引力波到底是不是真實存在，在物理學(xué)界還是有爭論，這個問題也還是沒有被徹底解決。

兩年后的1957年，在北加州的教堂山舉行了一場以廣義相對論為主題的會議。在會議后期，物理學(xué)家理查德·費曼提出了一個“黏珠”思想實驗。費曼的論證是這樣的：有兩顆珠子穿在一根柱子上，并且可以自由移動，垂直于柱子方向如果有引力波經(jīng)過，將會產(chǎn)生相對于柱子中心的潮汐力。珠子在潮汐力的作用下會相對柱子運動，如果珠子和柱子間有黏性（有摩擦），在運動時候就會產(chǎn)生熱。熱就是能量，能量不可能憑空產(chǎn)生，它的源頭只能是引力波，所以引力波不是一個數(shù)學(xué)游戲，它是攜帶能量的，是真實存在的！

“黏珠”思想實驗提出之后，物理界終于普遍達(dá)成共識，認(rèn)為引力波確實是物理實在。那么接下來的問題是，我們?nèi)绾尾拍苷业剿兀?/p>

實驗嘗試和間接證據(jù)

引力波雖然攜帶物理能量，但是它的物理效應(yīng)真的微乎其微。盡管如此，自教堂山會議之后的60年里，有許多物理學(xué)家和天文學(xué)家為證明引力波的存在做出了大量努力。其中最著名的要數(shù)引力波存在的間接實驗證據(jù)——脈沖雙星 PSRB1913+16。1974年，美國物理學(xué)家約瑟夫·泰勒和羅素·赫爾斯利用在波多黎各的射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了由兩顆質(zhì)量大致與太陽相當(dāng)?shù)闹凶有墙M成的相互旋繞的雙星系統(tǒng)。非常幸運，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，人們可以無比精準(zhǔn)地知道兩顆致密星體在繞其質(zhì)心公轉(zhuǎn)時它們軌道的長半軸以及周期。根據(jù)廣義相對論，當(dāng)兩個致密星體近距離彼此繞旋時，該體系會產(chǎn)生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統(tǒng)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幾十年時間里對PSRB1913+16做了持續(xù)觀測，觀測結(jié)果令人無比振奮！雙星系統(tǒng)無比精確地按廣義相對論所預(yù)測的那樣因為引力輻射而慢慢靠近：周期每年減少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(yù)言這個雙星系統(tǒng)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(jù)，是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。

在實驗方面，第一個對直接探測引力波做偉大嘗試的人是美國馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家約瑟夫·韋伯。教堂山會議之后的兩三年里，韋伯認(rèn)為通過實驗手段探測引力波并不是沒有可能，他把自己的想法付諸于行動，全身心投入在引力波探測方案的設(shè)計中。最終，韋伯選擇了一根長2米、直徑1米、重約1噸的圓柱形鋁棒，其側(cè)面指向引力波到來的方向。該類型探測器，被業(yè)內(nèi)稱為共振棒探測器。

雖然共振棒探測器沒能最后找到引力波，但是韋伯開創(chuàng)了引力波實驗科學(xué)的先河。

重大發(fā)現(xiàn)到來時

后來的LIGO的主要創(chuàng)始人美國物理學(xué)家索恩，在1976年的時候?qū)舱癜籼綔y器還抱有信心，他和一些物理學(xué)家深信引力波的探測可能會變革我們對宇宙的認(rèn)識。在1976年11月的一個晚上，索恩獨自一人漫步在美國小城帕薩迪納的街頭，內(nèi)心充滿了熱情和希望。忽然一個念頭閃過他的心頭：應(yīng)該建議加州理工學(xué)院建設(shè)一個引力波探測計劃。之后的幾個月里，經(jīng)過一系列風(fēng)險評估和成果分析，他成功說服了加州理工的物理學(xué)和天文學(xué)系組建一個團隊來建造引力波探測器。但是學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)要求索恩必須把這個項目做大做強，并且找到一位非常優(yōu)秀的實驗物理學(xué)家來擔(dān)任這個項目的領(lǐng)導(dǎo)。經(jīng)多方推薦，最后格拉斯哥大學(xué)的羅納德·德雷維爾成了索恩的合作伙伴。

到了20世紀(jì)90年代，世界各地的其他一些大型激光干涉儀引力波探測器也開始籌建，引力波探測黃金時代就此拉開了序幕。只是這些探測器在2002～2011年期間共同進行觀測，但并未探測到引力波。

直到2016年2月11日，LIGO科學(xué)合作組織（LSC）向全世界宣布：探測到置信度高達(dá)5.1倍標(biāo)準(zhǔn)差的引力波事件。探測引力波的消息發(fā)布后，仿佛一夜之間，“引力波”成為了世界各地人們談?wù)摰臒狳c話題。

愛因斯坦的廣義相對論自從100年前提出以來，歷經(jīng)了重重考驗。作為廣義相對論預(yù)言的引力波，在如幽靈般虛無縹緲了一個世紀(jì)后，終于被我們發(fā)現(xiàn)?。▉碓磡百科知識》 作者|明鏡）