这可能是最快获得诺贝尔奖的物理学发现
编者按：
最近，大院er收到了要求科普“引力波”的粉丝留言，一时间有关引力波的种种八卦都涌上心头，从何说起呢？我们就从两年就斩获诺奖的“引力波探测”讲起吧！ 在我们的固有印象中，一个发现/成果从出来，到获得诺奖，往往中间隔着很长时间，每位得奖人都想唱那句“等了好久才等到今天”。
而自2015年9月14日LIGO宣布首次探测到引力波，到2017年瑞典皇家科学院决定将物理学奖颁发给Rainer Weiss(莱纳·魏斯)、Kip Thorne(基普·索恩)以及Barry Barish(巴里·巴里什)三位科学家，以表彰他们“对LIGO探测器以及首次观测到引力波做出的决定性贡献(for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves)”，时间仅仅过去两年，可以说是最快获得诺贝尔奖的物理学发现之一。不过这也更加说明了这一发现的重要性，和它获奖的众望所归。
图1 2017年诺贝尔物理学奖得主
LIGO凭什么获奖
一百年前，爱因斯坦根据广义相对论求解场方程得到波的解，预言了引力波的存在。
一百年后的2015年9月14日，LIGO宣布首次观测到引力波。
此次引力波来自13亿光年以外的两个黑洞的碰撞融合，从引力波产生到被地球上位于美国的LIGO探测器检测到，引力波走了约13亿年的时间，真正可谓是“穿越时空的相遇”。 虽然引力波到达地球已经变得非常微弱，但是这一发现却开启了天体物理和宇宙学的重大 革命。引力波以一种全新的方式展示了宇宙中的剧烈的天体变化，对我们已有的知识边界是一个全新的挑战。
LIGO(the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉仪引力波观测天文台)是一个由超过20个国家的上千名研究人员所组成的合作组。在这些研究者的共同努力下，该计划成功地走过了将近50年。2017年的诺贝尔物理学奖的桂冠，属于这些对科学充满热情、毅力以及创造力的科学家。
其中，Rainer Weiss(莱纳·魏斯)、Kip Thorne(基普·索恩)以及Barry Barish(巴里·巴里什)这三位先驱者的贡献格外突出，正是在他们的领导之下，才保证了LIGO计划超过四十年的运行完成，并最终成功观测到引力波。
早在20世纪70年代中期,Rainer Weiss就分析了在探测引力波的过程中可能受到的宇宙背景噪声的干扰,并且设计了一台激光干涉仪探测器,用以消除噪声。而更早的时候, Kip Thorne和Rainer Weiss就坚持认为引力波一定能够被探测到,并且会给我们现有的宇宙学知识带来革命。
在爱因斯坦的广义相对论的描述中,引力波以光速在宇宙中传播。非球对称的超大质量天体在加速运动下或者大质量体系的质量分布发生变化时就会产生引力波，比如遥远星系的恒星的爆炸或者一对黑洞相互绕转碰撞融合这样极其剧烈的天体物理过程。 在引力波传播的过程中,四维时空会在其作用下轻微扰动，引力波的本质是时空曲率的波动, 就像鹅卵石扔进池塘里激起的涟漪一样,因此引力波也被称为“时空的涟漪”。
图2 第一个被探测到的引力波信号
周干峙
由于引力波传到地球后引起的空间畸变非常微小,有人做过形象的比喻,好比是测量10光年以外的恒星的确切距离,要求达到的精度是头发丝的直径大小,也就是说在10光年这么远的时空范围内,引力波引起的空间拉伸或者压缩只有头发丝的直径大小。王茂亮
因此,就连爱因斯坦本人都坚信永远也不可能探测到引力波。而LIGO却做到了！
LIGO实验组用一对非常巨大的激光干涉仪,成功检测到了当引力波经过地球时所引起的不足原子核大小的千分之一的空间畸变。恋爱天使
到目前为止,人类使用各种手段来探测宇宙中的电磁波和粒子,比如各种宇宙射线以及中微子,以此来探索宇宙的奥秘。而引力波的探测是直接探测时空本身的扰动。这是天体物理和宇宙学研究的革命性变化,将为我们带来更多来自宇宙的讯息,为我们带来全新的宇宙观。
引力波的前世今生
1915年，36岁的爱因斯坦(Albert Einstein,1879.3.14-1955.4.18)建立场方程，发表广义相对论。
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deadpixeltest牛顿的引力理论是建立在绝对时空观基础上的，广义相对论则建立在四维时空观上，引力是物体质量对于周围时空产生影响的自然结果。
1916年，卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)到了引力场方程的一个解，后来被用来解释黑洞。
黑洞是质量巨大的天体，任何靠近它的物体都会被吞噬掉，甚至是光线经过也会被吞噬，所以黑洞不会发光，我们“看不到”。
1916年，爱因斯坦本人到了场方程的一个波的解，预言了引力波的存在。
广义相对论认为,时空是可以弯曲的，物体的质量会造成其周围时空的弯曲，质量越大，时空弯曲程度也越大，但是只有在特别大质量的物体周围才会产生比较明显的时空弯曲。
比如恒星发出的电磁波在经过太阳的时候会发生小角度的弯折，这就是一个时空在大质量物体周围发生弯曲的例子；质量分布非球对称的物体在加速运动时，或者体系质量发生变化时，也会产生引力波，比如遥远星系的恒星的爆炸或者一对黑洞相互绕转碰撞融合这样极其剧烈的天体物理过程。
产生的引力波传播，就是时空曲率波动的传播。这一时空的畸变，从产生源头以光速向外传播。原则上讲，只要探测器足够灵敏，当引力波到达地球时就能够被探测到。
但是，引力波引起的可探测的效应实在是太微弱了！
因此，爱因斯坦本人认为，引力辐射永远也不可能被直接探测到。
和他同时代的物理学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington,1882.12.28－1944.11.22)虽然是广义相对论的坚定支持者，并在1919年的日食中首次测定了光线经过太阳时的偏折，从而证明了广义相对论的正确性，却一直十分怀疑引力波的存在，并且指出引力波似乎是“以思维的速度在传播(to propagate at the speed of thought)”，
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图3 左：1921年的爱因斯坦；右：1919年爱丁顿拍摄日食照片
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