曹军威：最精密的实验——引力波的探测

曹军威 清华大学信息技术研究院研究员、院务委员会副主任

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爱因斯坦广义相对论有很多预言，比如，通过质量大的星体光线会弯曲，钟表在地球表面和在空间的快慢不一样等，这些都是爱因斯坦广义相对论的一些验证，这些验证都被证明是正确的，唯有一个引力波的预言没有被直接检测过。

人类追寻引力波近百年，直到2016年才直接探测到了引力波。引力波是什么呢？如果时空作为一个场存在，那么任何加速运动的物质都会发出引力波。

这里有两张图，演示了引力波传递的过程，虽然只是二维的演示，但这并不是非常简单的传播。它是从这个方向延展到另一个方向上的压缩，并且是交替进行的过程。

如果用三维演示就是一个非常复杂的传播过程，虽然每一个横截面都是以这样的一个规律在传播，但每一个横截面所处的相位，或者阶段是不一样的。引力波是存在在周围的，比如，我跑两步可能也会发出引力波，别人走两步也会发出引力波，因为我们都是加速运动的物质，但是这个引力波是非常非常微小的，所以很难探测到。

引力波历经了一百年才真正直接探测到，所以我们把时空弯曲加入到双黑洞并合的过程中去。因为两个黑洞的质量非常大，它们俩在环绕的时候释放引力波，然后距离不断地缩减，到最终它们俩开始并合，并合的一瞬间，实际上是一个物质跟时空之间有了巨大的能量交换，释放出来一个巨大的引力波。只是这一瞬间非常短，最终由于合并成一个黑洞，不再有加速运动，所以它有一个衰退的过程，然后就再没有引力波释放出去。

那这样的一个波动，为什么我们能探测到？引力波波动对地球的时空会产生一个比较大的影响。实际上怎么理解？就是说时间、空间被变长变短，空间被伸展和压缩。时间被变长和变短怎么来理解？给大家做个比喻，好比空间、时间是一个单位。时空构成了一个物质存在的标价，比如一张桌子一米长，我们把它形象地想象为这张桌子，然后我们用一把尺子量这个桌子，那么引力波到达之后，就相当于把这个桌子延长或者变短了。再去量这个桌子的时候，这张桌子就不再是一米了。