21.7 时空的颤抖：引力波
1887 年，在麦克斯韦做出存在电磁波的预言近二十年后，赫兹在实验室中发现了电磁波。现在，有关电磁波的应用已经融入人们生活的各个角落。人们已经知道，电磁场的传播，也就是电磁波的产生是由电荷的加速运动导致的，电荷无论具有直线加速度还是向心加速度，都会产生电磁波。
像麦克斯韦一样，爱因斯坦也做出了关于另一种波的预言。1918 年，广义相对论发表两年后，爱因斯坦注意到，广义相对论方程式中存在着这样的解：当物体作加速运动时会产生一种波——引力波，它随着时空自身的波动而传播。爱因斯坦指出：引力场也会像电磁场存在电磁波那样以波动的形式离开场源传播下去。
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根据广义相对论推导得知，引力波与电磁波既有相似之处，又有不同之处。引力波同电磁波一样，以光速传播；电磁波是由交变的电场和磁场组合而成，引力波也是一种交变的场，但这种场是时间曲率和空间曲率的起伏，代表着时间和空间的形变；引力波与电磁波都是横波，即波的振动方向与传播方向垂直；但是，电磁波是矢量波，而引力波是张量波，具有极强的穿透力。
矢量波和张量波都是专业术语，我们无须深究，只要通过图21-4 就能观察到它们的不同。从图中可以看到，电磁波中的电场和磁场方向是固定的，而在引力波中，交变场的方向随着波的前进在连续地变化着的，看起来像一个电钻的钻头，是一种螺旋状的波。
引力波代表的是时空的振动，要知道，时空的坚硬程度是超乎想象的，所以其振动是相当微弱的。爱因斯坦曾经做过一个估算：
取长度为1m 的棒，令其以最大的可能速度作旋转，由此产生的引力波功率是10^?37W。这个功率小得可怜，假设一只蚂蚁沿着墙向上爬行，其所用的能量都能达到10?7W。引力波如此微弱，以至于爱因斯坦曾认为引力波可能永远都不会被探测到，他甚至两次宣布引力波不存在，然后一次再一次地修正他自己的预测。
随着时间的推移，人们对天体认识得越来越丰富，科学家们意识到某些天体的运动会产生极强的引力波，比如超新星爆发、双脉冲星体系的运动，以及黑洞的碰撞等。
黑洞的质量可以达到10 ～ 109 个太阳的质量，这样巨大质量的物质坍缩将产生极强的引力波。对于离得较近的两个黑洞，它们在长久的轨道运行中会慢慢地螺旋着彼此靠近。由于黑洞的逃逸速度等于光速，两个黑洞最终将以极高的速度碰撞并合并在一起。当它们碰撞时，其所产生的引力波的能量可达到10^52W 的水平，但这个能量水平无法持久，只能维持1ms 左右。这里出现的问题是：两个黑洞碰撞形成的引力波是以爆发的形式出现，而不是一种有规律的周期振荡，所以它什么时候能传递到地球上并被我们探测到，只能靠运气了。
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幸运的是，人类竟然捕捉到了这样一个信号。2015 年9 月14 日，由两个黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号，经过13 亿年的漫长旅行抵达地球，被美国激光干涉引力波天文台（Liaser Interferometer Gravitation wave Observatory, LIGO）分别在路易斯安那州与华盛顿州建造的两个引力波探测器（两地相距约3000km）以7ms 的时间差先后捕捉到。据研究人员估计，两个黑洞合并前的质量分别相当于36 个和29 个太阳质量，合并后的总质量是62 个太阳质量，损失的3 个太阳质量的能量以引力波的形式在不到1s 的时间内被释放出去。我们可以根据E=mc^2算一算，这个能量比宇宙中所有恒星在一秒钟内辐射出的能量还要高好几百倍。如此剧烈的爆炸，难怪连时空都要为之“颤抖”！
那么这个引力波信号是如何被捕捉到的呢？我们知道，引力波会使时空产生波动，当引力波经过时，空间会发生变形。在一个固定长度的真空空腔里，如果空间被拉长，那么激光走过这段路程所用的时间就会变长；如果空间被压缩，那么激光走过这段路程所用的时间就会变短。如图21-5 所示，上述LIGO 的引力波探测器有两条相互垂直的分别长达4km 的真空空腔，同一束激光被一分为二，分别进入两条空腔内，然后被终端的镜面反射回出发点。当引力波经过时，一条空腔长度被拉伸，另一条被压缩，于是这两条空腔内的激光会产生光程差，在分光器处汇合后会发生轻微的干涉，从而探测到引力波。虽然当时空间的变形只有质子直径千分之一大小的尺度，但还是被灵敏度高得惊人的探测仪捕捉到了。
自从电磁波被发现以来，天文学家们一直在通过不断增加的电磁波谱的波段范围来探测宇宙，而引力波的发现则可能开创一个研究宇宙的新时代，它代表着一种尚待开发的波谱，是一种可以用来探索宇宙更多秘密的全新波谱……
时间、空间、量子、宇宙……人类就像是在浩瀚大海边玩耍的小男孩，每拾到一个漂亮的贝壳都会欣喜不已，但是，浩瀚的大海里还隐藏着多少秘密，小男孩也许需要一辈子的时间去探索……
