北京时间11日23点，美国科学家宣布探测到了引力波。这是现代物理学上的极其重大的发现。爱因斯坦在100年前提出的广义相对论时，或许也没想到过这一刻。至此，他那套无比艰涩的相对论理论体系，再次得到实验证实。文章详情：http://www.licai.com/yuedu/201602-230410.html
但当时他开创这套学说时，实在是一套不知所云的名堂（甚至还有很多人反对），所以迟迟没有获得诺贝尔物理学奖。直至这套理论慢慢被大家熟悉，并开始获得一些实验验证，争议依然不断，于是1922年诺奖委员会以他别的科研成果（光电效应）补给了他1921年度的诺贝尔物理学奖，爱因斯坦老师也未出席颁奖典礼。所以，这项人类现代物理学最伟大的成就，竟然没得过诺贝尔物理学奖，不知诺奖委员会自己会不会觉得不好意思。
相对论又根据研究对象的不同，分为狭义相对论、广义相对论。本文用尽可能通俗的语言，大致介绍狭义相对论、广义相对论梗概。
1、狭义相对论
狭义相对论研究的是匀速直线运动的参照系的物理定律。匀速直线运动意味着没有加速度，没有力。
在爱因斯坦提出狭义相对论之前，这个体系的权威研究是伽利略、牛顿等人的经典力学。牛顿被掉下来的苹果击中，从而开创了近代力学，奠定了后来三个世纪的物理学基础，也推动了工程学的发展。
选取不同的参照体，能测出不同的车速。比如我觉得凯迪拉克在以20 km/s的速度超过我，而他觉得我以20 km/s的速度后退，而路边的警察则看我们分别是100 km/s、120 km/s的速度在前进。不同参照体所测得的速度之间，可以想互加减计算得到，这就是伽利略变换，也是我们中学物理时考过的题目，毫无难度。
但是，19世纪后，电磁理论日渐完善，在伽利略的参照体系中引进了光，麻烦就来了。因为，根据麦克斯韦方程，光速在任何参照体系中都是不变的！
爱因斯坦据说为此问题思考了近10年。既然c不能变，运行的距离也确定，那么变化的就只能是时间了……而在牛顿的理论体系里，时间是绝对的，它自行流淌，与任何参照系没有关系（此外，牛顿认为空间也是绝对的）。爱因斯坦的理论则提出，光速c才是绝对的，其他包括时间在内，都是相对的。
教材上有这么个例子：
一辆汽车在路上匀速行进，速度是v（光速则为c）。
车厢高度为d，车厢底部有个光源向上发出光，光射到车厢天花板的镜子上，反射回来。
变换下：d=tc/2
而在路边的人看来，因为车在行进，所以这束光共走过2L的距离，耗时t’=2L/c。如下图（t’是旁观者观测到的时间）：
而这段时间内，车子前进距离为t’v。根据勾股定理：
因为vt。也就是说，相对旁观者来说，车里人的时间变慢了（车里人自己看来还是1秒，旁观者看他其实已超过1秒了）。原因就是因为车里人有速度。
但现实中，我们观测不到这个现象，因为平时我们的v太小，v/c约等于0，所以t与t’几乎相等。这就是伽利略、牛顿等人研究的范畴，也是我们日常生活所接触的范畴。
后来，我们可以实证观测到时间膨胀了。比如一个粒子从宇宙飞入大气层，原本它寿命（衰变期）只有一秒，所以其实是来不及飞到低层大气的。但我们竟然在低层大气里检测到了这个粒子，因为它的速度接近光速，所以在我们看来，它自己的时间变慢了。
但如今，我们的“日常生活”已经不是牛顿时代的样子，已经开始涉及到高速运动的物体。比如GPS定位，我们用的是天上的卫星，这卫星绕着地球高速行驶，那么在我们看来，卫星上的钟走慢了，然后就会使定位结果产生误差（卫星还会受引力场影响，这由广义相对论来解释）。因此，GPS系统会对此作出修正。
所以，狭义相对论已经走入了我们的日常生活。
时间膨胀使未来星际旅行成为可能。只要时速够高，比如接近光速，旅行者的时间就会变慢，从而能够到达最遥远的地方。令人伤感的是，地球上的亲人时间没有变慢，旅行者到达后，亲人已经不在世了，旅行者只能向自己的后人报平安。东方古代传说里就有“天上一天，地上一年”的说法，如果爱因斯坦知道，会不会感叹？
除了时间膨胀外，狭义相对论的内容还包括：
（1）尺缩效应：运行中的物体，沿运动方向的长度变短。
（2）质能方程：
而在牛顿理论体系中，质量仅仅是物质本身的一个属性。但1901年，科学家用给电子加速时，发现随着速度增加，电子越来越难加速。狭义相对论指出，这是因为运动中的物体，其质量会增加（m为运动中的质量，m0是静止质量）。
质能方程第一次使人们意识到，质量本身就是能量，而且总量巨大！但如何把质量转换成能量，爱因斯坦没有提。1938年，纳粹德国的物理学家提出通过原子核裂变可释放这种能量。从此，人类进入了核能时代。幸运的是，最早造出原子弹的并不是纳粹德国。
狭义相对论只讨论匀速直线运动的参照系下的物理定律，但现实生活中肯定是有加速度的，也就是有引力（这里的引力是指任何帮物体加速度的力，而不是仅指地球引力）。所以，在相对论中引进引力，就形成广义相对论。而广义相对论也要先研究清楚引力。
在广义相对论提出之前，牛顿已经提出了万有引力，并广为大家接受。这个理论很好理解，就是有质量的两个物体相互吸引靠近。而且，其力的大小可以由公式确定：
物理中常见的几种力，都有作用介质。比如，最简单的机械作用力，要通过实物的接触来实现，比如打人。再如，电磁力，则通过电磁场相互作用。场和实物一样，都是物质的存在形式。所以，机械力和电磁力均需要物质中介。
而在牛顿的理论体系里，引力则完全不需要物质，可以穿越真空。为此，量子力学引进了“引力子”概念，假想有这么一种微粒子，在空间传递着引力。当然，时至今日我们没有找到这货，所以这个解释说服力并不大。
爱因斯坦开始思考这一问题。一个块石头在下坠的过程中，悄悄分解为两块，那么两块石头将一起下坠（假设无空气阻力）。若不观察其他物体，仅观察两块石头的小参考系，那么石头之间是无法察觉引力的存在的，而且它俩之间的物理定律依然成立。这就是广义相对论的等效原理。这仿佛是有一个“引力场”，处于场中的物体都被相同地加速度。
爱因斯坦提出引力场，首先打破牛顿的绝对的空间观（认为空间就是一成不变的三维，物质在空间内运动），而是认为任何有质量的物体周围，其空间会被质量影响下变得扭曲。
三维空间的扭曲很难想象，所以一般先把二维的平面做比喻。比如水面原本平静，一个皮球扔进去，皮球周边的水面形成涟漪。引力场就是这样的涟漪，形成在有质量的物体周围。
引力场提出后，也得到了实验证实，著名的实验有三个：
（1）光线在引力场中弯曲：远方的光线射过来，被太阳周边的引力场扭曲影响，路径发生弯曲。1919年，人类实验首次验证了这一点。
（3）水星近日点的进动：水星的进动，是指其椭圆形的绕日公转轨道的长轴位置每年会有点移动。牛顿理论也能计算进动，但与观测值有点误差。而用广义相对论，计算太阳周围的引力场，则更精准。
延续上文的比喻。一个皮球扔入水面，皮球周围的水面由平静变得褶皱，这就是空间扭曲形成引力场。而褶皱不是一成不变的，而是上下波动，并向外传导。引力场也是这样的波动、传导，形成引力波。广义相对论认为，有质量的物体运动时，其周围扭曲的空间（引力场）就会产生波动，即引力波。
所以，引力波其实和光（电磁波）、声音（机械波）一样，都是物体运动对周围施加的影响，内含重要的信息。以前，我们通过眼睛看光、耳朵听声音来获取信息，观察物质运动。那么，如果我们能观测到引力波，那么相当于多了一种感官，也可用来观察物质运动，相当于打开了一个全新的世界。
但这种引力场的波动其实非常微弱，只有在质量非常巨大的物体发生剧烈运动时，才有可能发出较强的引力波。比如，超大质量黑洞的合并，脉冲星的自转，超新星的引力坍缩等。但是，这些大运动又不会离我们太近（否则我们都被黑洞吞吃了），引力波那么遥远传到地球，可能也已很弱了。所以，引力波一直很难探测。
而美国科学家昨日终于宣布，他们终于观测到引力波了……毫无疑问，这是人类的一大步，其意义完全不亚于动物第一次演出化眼睛或耳朵。
让我们为这一刻欢呼吧，人类！
作者：王剑
来源：王剑的角度（ID：wangjianzj0579）
引力波，广义相对论的最后一块“拼图”
作者：pplong
来源：新浪博客
美国国家科学基金宣布发现引力波现场
不少沉浸在春节假日欢快氛围中的人们，这两天都被一条重磅科学发现所吸引。美国科学家11日宣布，他们利用激光干涉引力波天文台（LIGO）于去年9月首次直接探测到引力波，这是人类第一次能够“听”到宇宙的“声音”，并证实了爱因斯坦在100年前所做的预测。
一、引力波是什么？
1．牛顿的描述
牛顿认为，月球之所以会绕地球运转，是它们之间存在引力的缘故。这引力像绳子那样一头拴着月亮，一头系着地球。任何两个物体之间都存在引力，所以牛顿给出了万有引力定律。当然，万有引力是无形的，看不见摸不着，却如一条条铁链拴住世间万物。
2．爱因斯坦的观点
牛顿以来的科学家都认为光线是直线传播的，但在实际的观察中发现，从遥远的星球过来的星光经过太阳附近时会发生弯曲。爱因斯坦认为，要解决观测与理论间的矛盾，只能假设太阳周围的空间是弯曲的，这样光线在其中通过时，其路径也弯曲起来。于是他提出了广义相对论，用弯曲空间来讨论万有引力的作用：每个有质量的物体周围都会出现时空的“弯曲”。这种弯曲就像在一层橡胶膜上放一颗铁球产生的凹陷一样。这时放在膜上的物体就要顺势滑向铁球。如果不滑向铁球，唯一的办法就是在凹陷的膜上转动。想象一下在漏斗侧壁上滚动的小球，只要它的速度合适，就不会落入漏斗中。同样，包括地球在内的行星都以恰到好处的速度绕太阳转动，因此不会被太阳这个“引力漏斗”吸入。
光线在引力下弯曲
爱因斯坦的广义相对论论证的一个重点就是，引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年，爱因斯坦在广义相对论框架下发表论文，论证了引力的作用以波动的形式传播。这就是引力波的由来。
引力波就像时空结构中的涟漪，如果把空间想象成一块巨大的橡胶膜，那些有质量的物体就会让橡胶膜弯曲，就像我们站在蹦床上时引起床垫变形一样。质量越大，空间被弯曲得越厉害。
只要有质量的物体加速，改变了空间形状，引力波就产生了，你可以想象湖面的涟漪。当高密度、大质量的物体在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它们会在时空的垫子上泛起涟漪。这些波纹携带着大质量物体的引力辐射，在广阔的宇宙中传播。激光干涉引力波观测站的存在就是为了捕捉这种微弱的波动。
二、为什么要寻找引力波？
理由之一：它将验证1916年爱因斯坦提出的广义相对论。100年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。引力波被证实存在，意味着时空确实是可以扭曲的，爱因斯坦广义相对论的最后一块“拼图”找齐了。
理由之二：广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中，这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波，就可以揭开宇宙的各种谜团，甚至了解整个宇宙的起源和运行机制。
理由之三：引力波是一种时空涟漪，如同石头被丢进水里产生的波纹。在宇宙中，强引力场天体非常之多，比如超大质量黑洞合并，脉冲星自转、超新星爆发等都是引力波的强有力来源。找到引力波就意味着打开了全新的宇宙观察视野：可以为我们展示引力的最强状态，比如黑洞；能够让我们看到物质密度最大时的样子，比如中子星；还能揭示出星系大爆炸的新信息，比如超新星爆发，黑洞和中子星的融合。
三、如何探测引力波？
引力波无法通过电磁辐射直接观测，其与宇宙中物质的相互作用也极为微弱，因而连爱因斯坦都认为引力波在任何能想象的情况下都可以忽略，是很难测量的，探测引力波在很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。。但今天的科学家们依然对此充满着好奇，希望能够找到引力波，不上广义相对论缺少的这块“拼图”。
位于华盛顿州汉福德的干涉仪
上世界90年代初，美国物理学家Rainer·Weiss领导的LIGO项目得到了美国国家科学基金的资助，在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造一个干涉仪，呈现L型排列，利用迈克耳逊干涉仪原理进行测量引力波。
位于路易斯安那州的干涉仪
L型测量臂很长，达到4公里，两个测量臂垂直排列，两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射，如果干涉条纹发生了变化，就说明探测到了引力波事件。2005年之后，激光干涉引力波天文台再次进行了升级，使用更高功率的激光器和避震措施，降低误差。
探测引力波需要探测器具有极高的灵敏度，还需区分开来引力波信号和环境或仪器噪声。10多个国家超过1000名科学家参与了这个搜寻引力波的项目。
四、等待了50年的新发现
2015年9月14日北京时间17点50分45秒，位于利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了后来被命名为GW150914的引力波信号。LIGO项目的科学家们花了几个月的时间进行验证，最终确认探测到的就是引力波信号，并于2016年2月11日正式公布。
这个信号来自双黑洞系统的合并。在两个黑洞相互接近绕转的过程中，会不断朝外辐射引力波，而引力波的辐射会把两个黑洞之间的引力势能降低，所以两个黑洞的距离会变小。随着两个黑洞的距离变小，它们之间相互绕转的频率会变得更快，最终两个黑洞碰撞并合在了一起，这一过程会放出大量的引力波能量。
两个正在旋转合并的黑洞模拟图
这一辐射的能量有多大，可通过爱因斯坦著名的质能方程E=MC2加以计算。两个黑洞的质量分别是36个太阳质量和29个太阳质量，其中引力波辐射损失的质量大约为3个太阳质量。3个太阳质量的物体变成了能量，相当于数以亿亿亿亿计的原子弹同时爆炸，其威力相当惊人，整个空间都在颤动。这一颤动也在13亿年后传到了地球——这就是目前LIGO探测到的引力波。
简而言之就是，3个太阳的质量，变成能量被引力波带走了，传播速度跟光速一致。这是人类第一次探测到引力波，也是人类第一次探测到双黑洞合并。
在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件中，4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动，被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出，让人类第一次“近距离的接触”了黑洞，观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。
激光干涉引力波观测站两个干涉仪收到的引力波信号数据波形
引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。可以预计，未来更多的双黑洞时间，会让我们更清晰地了解黑洞附近的时空几何，更令人期待的是，一些未知源的引力波也可能被探测到。
还是那句话，我们所知道的仅仅是冰山一角，还有很多未知的世界等待着我们去发现。科学研究才刚刚开始，好戏还在后头呢。
