2017年诺贝尔物理学奖授予了美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、加州理工学院教授基普·索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里·巴里什（Barry Clark Barish），以表彰他们在LIGO探测器和引力波探测方面的决定性贡献。 

文/记者 刘辛味

在物理学中，引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。在2016年初，LIGO首次公布探测到引力波就在科学界引发轰动，意味着一百年前爱因斯坦广义相对论理论中引力波预言被验证。来自时空弯曲的引力会传播出引力波，就像石子落入水中产生水波涟漪，引力波让我们感受到了来自时空震颤的阵阵涟漪。

▲ 两个黑洞的碰撞（供图 东方 IC）

通常物质间的引力极弱，想要探测引力波，必须依靠宇宙中质量巨大的天体之间的引力。理论表明，引力波主要来自宇宙中的超新星爆发、中子星、黑洞等致密天体以及宇宙大爆炸。首次探测到的引力波事件GW150914，就是分别为36倍太阳质量和29倍太阳质量的黑洞合并，变成62倍太阳质量的黑洞，减少的质量以引力波的方式以光速传播出来。LIGO是如何探测到引力波的呢?为何三位科学家对这样一个装置做出贡献也能获得诺贝尔奖?

事实上，引力波是否真正存在，能否被探测到，很长时间以来让物理学家们困惑。到了上世纪50年代，物理学家开始相信引力波携带能量真实存在。韦伯(Joseph Weber)开启了引力波探测实验。

▲ LIGO如何探测13亿光年以外的两个黑洞融合产生的引力波

LIGO从2015年9月份开始运行观测，可能的引力波探测源包括致密双星系统(白矮星，中子星和黑洞)。LIGO的建成部分来自韦伯探测棒相距1000公里的启发，由两个完全相同相距3000公里的探测器组成。两个探测器共同工作，可排除地震等其他信号。

真正探测到引力波的基本原理并不复杂，利用了自然界中最基本现象干涉的现象。探测器就是一架巨大的迈克逊干涉仪，由两个3公里互相垂直成L型的臂构成。从发射器射出的激光经过分光镜分成两束进入两臂中，光打入臂末端的反射镜再反射回来，反复多次。最后两束反射回来的光会再叠加起来，也就是发生了干涉现象。通常情况下两臂是完全等长的，若无引力波的影响，叠加的光恰好可以干涉相消，光电探测器不会检测到光子。而出现引力波，时空弯曲会使一个方向上的臂长变化——压缩变短，另一臂则会被拉伸，这样就导致两臂不等长，光在臂内的传播时间不同，两束光再叠加时就不会相消，而会产生干涉条纹，探测器也就探测到了光子。

臂长变化十分微小，甚至比原子核的直径还小千倍，LIGO能测量到10-19m的长度变化。中山大学天文与空间科学院特别研究员王爽说，如果在空间中放一把尺子，也会受到引力波影响而伸缩，若这个尺长达一千公里，而引力波最多只能使它变动一千万亿分之一米，也就是一个原子核的大小。LIGO测出了这个小到不可思议的变动。

为了测量到如此微小的变化，LIGO内部光学系统包括材质都十分敏感，并有防震抗干扰系统保证测量的精准。有非常多的噪声干扰会影响测量，所以在LIGO建设过程中，实际技术应用十分复杂。最终经过千人的努力，这项大科学工程验证了爱因斯坦的预言，更是揭开了对引力探索新的一页，开启了引力波天文学。