物理学家们一直在热议（或者更确切地说，在推特上讨论）激光干涉引力波天文台（LIGO）实验可能终于发现了引力波的可能性。LIGO已经寻找这些宇宙涟漪十多年了。去年九月，它升级到了Advanced-LIGO，这是一个更灵敏的系统，并且在过滤噪音方面也做得更好。Advanced-LIGO有更大的几率收集到引力波的确凿证据——如果它还没有发现的话。
科学家们可能很兴奋，但谈论引力波让大多数人感到困惑。这些宇宙振动是什么？为什么它们会在科学界引起如此大的波澜？
什么是引力波？
引力波是时空结构中的扰动。如果你在平静的水池中划动手，你会注意到水面上会产生涟漪并向外扩散。根据阿尔伯特·爱因斯坦的说法，当大质量物体在时空中移动时，也会发生类似的情况。
但空间是如何产生涟漪的呢？根据爱因斯坦的广义相对论，时空不是真空，而是一个四维的“织物”，当物体在其上移动时，它可以被推拉。这些扭曲是引力产生的真正原因。一个著名的可视化方法是取一张拉紧的橡胶膜，并在上面放一个重物。这个重物会导致橡胶膜在其周围下陷。如果你在第一个物体附近放置一个小物体，它就会向大物体坠落。恒星以同样的方式拉动行星和其他天体。你可以在下面的视频中看到这个实验。
虽然橡胶膜的比喻并不完全准确地代表了时空的运作方式，但它表明了我们认为是真空的东西可以被可视化为一个动态的物质。任何加速的物体都应该在这个物质中产生涟漪。但小的涟漪会相对较快地消失。只有极其巨大的物体——比如中子星或黑洞——才会产生能够一直传播到地球的引力波。
我们如何探测它们？
目前有几个不同的实验正在进行中，以搜寻这些波。最新的传言来自LIGO，它通过追踪引力波如何影响时空来寻找它们：当波通过时，它会在一个方向上拉伸空间，并在垂直方向上收缩空间。
LIGO旨在利用一种叫做干涉仪的仪器来探测这些变化。这种装置将一束激光分成两束，并将它们分别沿垂直方向射出。如果两束光束传播的距离相等，经过镜子反射后返回，那么它们组成的波在返回时应该仍然是aligned的。但是，经过的引力波实际上可以改变每个臂的长度，从而改变每束光相对于另一束光传播的距离。当光束返回源头时，科学家们就能探测到这种变化。然而，引力波改变干涉仪臂的长度的幅度极其微小：大约是原子核宽度的万分之一。为了捕捉如此微小的变化，LIGO必须过滤掉所有其他噪音源，包括地震和附近的交通。尽管LIGO在近十年的运行中没有发现引力波，但它最近升级到Advanced-LIGO应该会给它一个更好的机会。
Advanced-LIGO将不得不与欧洲空间局（ESA）的激光干涉空间天线LISA竞争。LISA将在太空中扮演一个巨大的LIGO角色，今年将进行一次干运行——ESA在十二月发射了LISA Pathfinder。它将在太空中停留几个月，以测试未来LISA任务将部署的技术。
但激光并非探测时空变化的唯一方法。例如，北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）通过观察被称为脉冲星的中子星发出的射电波爆发来寻找引力波。这些射电波脉冲通常是严格定时 S，所以如果它们提前或延迟到达，可能是因为引力波干扰了它们到达地球的旅程。
其他实验则寻找大爆炸后产生的特定类型的引力波。它们通过观测大爆炸留下的辐射来实现这一点。如果大爆炸产生了引力波，科学家们预计会在这类辐射的偏振中看到旋涡。像宇宙外星系偏振背景成像（BICEP）这样的项目，以及哈佛大学在南极进行的一系列实验，会观测这些遗留辐射，试图找到具有指示性的偏振模式。
发现引力波有什么意义？
好吧，引力波为我们提供了另一种观察宇宙的方式。例如，来自大爆炸的引力波将告诉我们更多关于宇宙是如何形成的。当黑洞碰撞、超新星爆发以及大质量中子星摆动时，也会产生引力波。因此，探测这些波将为我们提供对产生它们的宇宙事件的新见解。
最后，引力波还可以帮助物理学家理解宇宙的基本定律。事实上，它们是爱因斯坦广义相对论的关键组成部分。发现它们将证实该理论——也可能帮助我们找出其不足之处。这可能会导向一个更精确、更全面的模型，或许还能指引通往“万有理论”的道路。
