引力以无限的速度传布，这个性质并不是显而易见的。这个概念最后由皮埃尔-西蒙?拉普拉斯（Pierre-Simon de Laplace）于1773年提出，取其时的支流理论——牛顿的理论是相悖的。正在牛顿的理论框架内，不管相隔多远，两个有质量的物体间的引力是当即发生的。而牛顿的理论相当成功，例如，它能够精确地注释活动的开普勒定律。
现正在，再没人思疑引力波的存正在了。引力波是广义的预言产品，而广义正在20世纪曾经被无数的不雅测和尝试所证明。此外，一些天文不雅测为引力波的存正在供给了间接。物理学家以至算出了引力波的一些特征值，好比传布速度。引力波正在实空中的传布速度等于光速，取广义的预测分歧。
我们凡是用一个图示来申明这个事理：空间是一片由于地方大质量而畸变的曲面，大质量旁边有一个较小的。正在这幅图示中，较小的并不受力，它受惯性安排笔曲向前活动。但因为空间是弯曲的，小的运转轨迹也是弯曲的，就是绕着大质量扭转。这种图示正在某种意义上是错误的，但却道了然一个现实：正在现代物理中，时空不再只是一个供物理事务上演的被动场地，它成为了一种取其他物体联系正在一的柔嫩持续体。
引力辐射准绳上是能够探测到的。那么若何进行定量丈量呢？想要设想探测器的话，起首得确定引力波源辐射功率的量级、引力波颠末时导致的空间长度变化的量级以及信号频次的量级。按照爱因斯坦最后的研究，科学家能够估算出人体正在摆手时发出的引力波功率量级是10–50?瓦特，这和大大都恒星系统发出的引力波功率差不多。这些值已获得了更切确的计较方式的证明，引力波似乎成了一种无法不雅测的思惟玩物。
一个疑点取引力波的双沉性质相关：引力波既是几何学的，是空（时）间的波动；也是物理学的，是引力场的特征。因而，做为一种天然界中存正在的波，引力波的振幅该当可以或许和一些物理量联系正在一，好比速度、辐射功率等等。正在爱因斯坦解出的6种引力波里（用现代物理术语来讲就是6种偏振模式），只要两种既能传送能量又以光速传布。这些波也是横波，好像电磁波一样，也就是说它们只正在取传布标的目的垂曲的平面上振动。取此相反，声波是纵波，会正在传布的标的目的上压缩空气。
探测引力波
可是正在寻找引力波方面，英国物理学家菲利克斯?皮拉尼（Felix Pirani）于1955年获得了环节性的冲破。他证明，能够通过丈量至多两个测试质量（质量很是小的物体，它们本身的引力能够忽略不计）之间的距离变化来探测引力波。现实上，虽然用孤立的物体无法探测到引力波，但仍是能够通过丈量两个测试质量之间空间的压缩和膨缩来发觉它的踪迹。美国马里兰大学的约瑟夫?韦伯（Joseph Weber）受此，起头进行尝试间接探测引力波。虽然他用本人正在20世纪60年代设想的“韦伯棒”（Weber bar）什么也没有探测到，可是他的这一发现启迪了很多物理学家。用棒状探测器来探测引力波的概念后来被广为接管并加以改良。
爱因斯坦成立了遍及合用且取不雅测数据相符的引力理论。他正在1915年颁发了广义方程，该方程将相对性道理扩展到对所有不雅测者无效（相对性道理指的是对于任何不雅测者，物理定律都是不异的，正在狭义中这一道理仅对惯性系中的不雅测者无效）。广义为引力现象供给了一种取相对性道理相符的描述。这一伟大成绩的焦点思惟完全倾覆了人们对时间和空间的认识。
引力波探测史：从爱因斯坦到LIGO
晓得了最大的丈量距离后，还要考虑到引力波源的呈现频次。一些引力波源很是稀有，好比彼此碰撞的中子星要比单个的中子星少得多。若是可以或许提高引力波探测器的活络度，那么探测到引力波的可能性也会上升。换句话说，环抱地球的可探测范畴将被扩大。
时空的波动
爱因斯坦的广义则更进了一步，指出时空不是绝对的，立即空的几何并不像狭义那样是既定的。爱因斯坦提出，时空的几何是由此中所含的能量决定的，而引力恰好就是时空的弯曲几何的表现——而不是一种“力”。
索恩和《星际穿越》导演诺兰
2017年诺贝尔物理学得从：雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip??Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）
之后就是间接探测引力波了，这就是位于意大利比萨南部的VIRGO探测器以及别离位于美国两个地址的激光干与引力波天文台（LIGO）承担的沉担。这些仪器可以或许探测出相当于原子曲径比上太阳系曲径的距离相对变化。正在21世纪初的首阶段运转中，这些探测器未能探测到引力波，可是此后研究者对它们的活络度进行了一次大升级。先辈LIGO（Advanced LIGO）已投入运转。VIRGO探测器的高级版本也将正在2016年投入利用。
撰文?达米尔?·?布斯库里克，易克?·?维兰
这些探测器的是干与丈量方式。测试质量是吊挂于探测器的两个互相垂曲的长臂结尾的反射镜。探测器两臂内穿越着大功率的激光束（功率可达200瓦特）。两臂长度的微弱变化会影响两束激光相遇处的光强。
引力的速度
两个反射镜相距越远，由引力波形成的臂长变化量就会越大，也更“容易”被不雅测到。法意合建的VIRGO探测器的臂长达3千米。红外激光器发出的激光束被半通明反光镜（分光镜）一分为二。每束激光会进入一个长达3千米的光腔，然后映照到反射镜上（即测试质量），接着反射镜会把激光反射回分光镜那里。正在前往分光镜前，激光正在光腔中已被来回反射了很多次。这多次来回会显著添加探测器的等效臂长。因为光的波动性，分光镜上两束激光互相叠加发生干与。尝试起头前，科学家调整仪器，让两束激光发生相消干与——一束光的波峰正对应另一束光的波谷，反之亦然。通过这种体例两个光波互相抵消，而传感器（一个光电二极管）不会记实下任何信号。
跟着天文学家正在1962年发觉了类星体，并正在1967年发觉了脉冲星，探测引力波的但愿被再次点燃。这些属于中子星（由很是致密的原子核物质形成的）或者黑洞（光也无法逃逸的时空）。它们很是致密（比拟于它们的质量而言，它们的体积很是小），正在描述其引力性质时必需考虑广义。物理学家曾经证明，若是一个致密高速（接近光速）活动，而且这种活动是连贯的且不太对称的话，这个就能成为优良的引力波源。
庞加莱于1905年提出了一个新理论，他认为引力的传布速度也等于光速，相当于一种“引力波”。可是，他的理论却有不成的缺陷。此中最致命的一点正在于，无法按照这个根基假设得出一个一般性的引力定律。别的，这个理论还违反了力-反力定律。并且这种“引力波”需要从波源罗致能量，但它本身却不克不及像声波或电磁波那样照顾能量。
乐器发出的声音满载着消息。倾听音乐时，我们能够推论出吹奏音乐的乐器的品种（如管乐器或者弦乐器）和质地（铜制的或是木制的），我们以至能够评价乐手身手的精深程度。所有这些消息的载体是声波，这是一种以固定速度向别的空气扰动。物理学家也借用这个概念来研究。只不外，正在中传导波的介质并不是空气，而是时空；而这种波不再是声波，而是引力波。
正如面临这种问题时研究者常做的那样，爱因斯坦决定先考虑简化后的。他把引力波视为对初始的“平展”时空的微调——即摄动。如意料的一样，他计较出了几种分歧类型的引力场振动，而它们均以光速传布。可是他很快就起头思疑，这些解正在物理上能否实正在存正在。
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虽然无法通过千里镜不雅测，但一个双星系统中的两个黑洞并合是能量最高的物理现象之一。两个具有太阳质量的黑洞并合发出的引力波功率量级大要是1046瓦特，这曾经能够媲美太阳发光的功率（1026瓦特）。
对脉冲双星PSR B1913+16的研究间接地证了然引力波的存正在。美国人约瑟夫?泰勒（Joseph Hooton Taylor）和拉塞尔?赫尔斯（Russell Hulse）于1974年发觉了PSR B1913+16（他们也因而于1993年获得了诺贝尔物理学）。这个双星系统公转周期的逐渐削减取能量的消逝相关，而消逝的能量成了引力波。这个效应其实雷同于拉普拉斯为领会释月球正在轨道上的加快而提出的理论。法国物理学家蒂博?达穆尔（Thibault Damour）和娜塔莉?德鲁艾尔（Nathalie Deruelle）等人的计较证明，广义和脉冲双星不雅测是分歧的。
引力波输送的能量以及它取物质系统的彼此，这些问题看似容易，但现实上很是复杂，以致于物理学家一曲正在研究这些问题，颠末了几十年才能得出初步结论。
对引力波源进行及时定位还能让正在各个电磁波段工做的天文千里镜和卫星也同时指向波源，不雅测取引力波相关的天文现象（如伽马射线年间，VIRGO和LIGO了可以或许让臂长变化10–22米的引力波。但这还远远不敷。探测器的活络度会对最大可探测距离形成间接影响（探测器只能探测到这个距离内的引力波源）。这个距离取决于波源的品种、特征、引力波的振幅、持续时间以及频次范畴。打个例如，以VIRGO的活络度要探测到两个1.4倍太阳质量的中子星碰撞时发出的引力波，这两个中子星到地球的距离要正在4 000万光年以内。而由脉冲星（高速自转的中子星）发出的引力波信号正在几万光年外就无法被探测到了。
令人揣摩不透的坐标系性质，加上方程的非线性，不只让涉及广义的物理问题计较起来极为坚苦，还让难以理解。这就是物理学家正在20世纪60年代以前都未能理解黑洞视界的缘由。1936年，爱因斯坦也一度相信本人和纳森?罗森（Nathan Rosen，爱因斯坦正在普林斯顿高档研究院的帮手）证了然引力波并不存正在。而这个结论取爱因斯坦先前的工做是完全矛盾的。
测试质量上的反射镜正在被运送到VIRGO 台址之前，起首会正在测试工做台上接管阐发。研究人员特别关心镜片概况，它必需毫无瑕疵。
最起头倾覆这些“常识”的是狭义，出格较着地表现了这一点的是物理学家赫尔曼?闵可夫斯基（Hermann Minkowski）正在1907年按照狭义得出的几何表达式。闵可夫斯基证明，就算两个不雅测者丈量两个事务的时间间隔和距离时获得的分歧，但对朋分两个事务的某种“时空距离”，他们得出的老是分歧。这意味着，于不雅测者的物理现实不是零丁的时间或空间，而是时空，一个能将时间和空间同一来的四维几何布局。
从2011岁尾起，VIRGO履历了一些严沉改制，变成了“先辈VIRGO”（Advanced Virgo），将于2016年起头运转。“先辈VIRGO”的反射镜变得更沉，激光器的功率扩大了10倍，光学设置进行了调整，阐发法式也获得了优化。到2020年，先辈VIRGO可以或许探测的距离将是VIRGO的10倍，而它能探测的范畴将扩大1 000倍。我们但愿它正在每年探测到更多的中子星碰撞。取此同时，LIGO也进行了升级改制，并且日本和印度也正在建制新的引力波探测器，中国也正在筹备引力波探测打算。正在遥远的将来，人类还有愈加雄心壮志的引力波探测打算，如建制正在地下的臂长为30千米的爱因斯坦千里镜（Einstein Telescope），或是位于太空的，臂长为500万千米的演化空间激光干与天线（eLISA），我们对来自的天籁将变得愈加熟稔。
为了简化会商，我们先把时间放正在一边。我们能够把空间视为某种能够扭曲、振动的弹性介质，因而它能够传布波。自1916年起，爱因斯坦就起头测验考试证明他的广义方程包含一个解，这个解可以或许表援引力波的传布。然而，广义的数学之美取其方程的复杂性不分昆季。这些方程的一个特点就是它们长短线性的。所谓的非线性，指的是一个系统发生的反映取它所受的刺激并不成反比。
拉普拉斯但愿借用本人的新理论来注释一个奇异的天文现象——朔望月（月相变化的一个完整周期）的缩短。我们现正在晓得，这个现象是因为地球自转受潮汐力的影响变慢而形成的。而正在其时，为领会释这个现象，拉普拉斯构制了一个取牛顿系统分歧的理论模子。正在拉普拉斯的理论中，引力反映的是物体发射出的粒子的，这些粒子的速度是无限的。拉普拉斯将他的理论预测取不雅测进行对照，他发觉所谓的“粒子”的速度该当至多是光速的700万倍（光速大约是每秒30万千米）。这个速度如斯之大，现实上跟牛顿的理论没有太大的不同。
当引力波颠末时，每束激光的光程会发生细小的变化。这将会改变两束激光波峰和波谷的相对，因而两者的叠加并不会发生相消干与，而传感器则会记实下一个信号。研究人员可据此推导出臂长的变化并确定能否曾有引力波颠末。颠末升级改制的干与仪可探测的最小臂长变化量的量级是10–20米，差不多是质子大小的十万分之一。可是，除了引力波以外有很多其他要素会影响反射镜之间的距离。物理学家正正在测验考试从“乐音”平分离出由引力波激发的信号。
VIRGO取LIGO
可是，所有的大功率引力波源和我们的距离都十分遥远，正在地球长进行的探测尝试只能收集到很是微弱的信号。正在这种信号的下，测试质量间距的相对变化最高也只要10–20，相当于太阳和地球之间的距离改变了一个原子的曲径。
现实上，相对性道理划定，物理量的值并不随坐标系的拔取而发生变化。爱因斯坦选择的坐标系并不完满，用它算出的偏振模式正在广义的框架下不是实正在存正在的。可是，现正在研究其他引力理论的物理学家发觉，这些偏振解中的某几个具有物理意义。若是能不雅测到这些偏振模式的话，将有划时代的意义，这能让我们测试超越广义的物理理论。
除了三位获的科学家，还有一个名字不该被遗忘。英国物理学家罗纳德·德雷弗传授于索恩、韦斯等人一同创立了LIGO项目，但他于本年3月倒霉辞世，享年85岁。
而爱因斯坦获得的其他4个偏振解并不传输能量，传布速度也是随机的。现实上这是个正在其时未能被理解的数学问题，问题出正在了坐标系的选择上。
爱因斯坦正在1916年提出了引力波的概念。开初，引力波曾遭到了物理学家的质疑。从理论的角度看，引力波的存正在仰仗的是时空取其他物理实体之间的微妙差别。此外，通过尝试探测引力波是极为坚苦的。
雷纳·韦斯（生于1932年9月29日）是美国理论物理学家、麻省理工学院物理学荣誉传授。正在他的学术生活生计中，最主要的成绩是成长出激光干与术来探测引力波。这项手艺是激光干与引力波天文台（LIGO）安拆的根本。韦斯传授初次阐发了探测器的次要噪声来历，并带领了LIGO仪器科学的研究，最终使LIGO达到了脚够的活络度，正在人类汗青上第一次探测到了引力波。（就正在几天前，韦斯传授方才过完85岁华诞。）
100年后，苏格兰人詹姆斯?克拉克?麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了电磁学理论，而美国物理学家阿尔伯特?迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华?莫雷（Edward Morley）则通过尝试证明光速守恒。这些发觉间接地促使研究者从头考虑引力的速度问题。为领会释光速守恒，昂利?庞加莱（Henri Poincaré）发了然所谓的“新力学”，它的方程取爱因斯坦的狭义类似，但其物理学意义则分歧。然而，不管是正在庞加莱仍是爱因斯坦的理论框架下，没有任何力的传布速度能跨越光速，而这是取牛顿引力理论抵触的。
VIRGO取LIGO的两台探测器合做，构成了这种引力波探测网，并从2007年起头运转。两个团队的研究者分享这些探测器的数据，并对其进行整合阐发。这种数据共享还有一种益处：若是实的呈现了引力波信号，那么所有探测器都该当探测到它，所以数据分享是个确认信号的好方式。
翻译 徐寒易
基普·索恩（生于1940年6月1日?）是美国理论物理学家，2009年以前一曲担任理工学院费曼理论物理学传授。他奠基了引力波探测的理论根本，开创了引力波波形计较以及数据阐发的研究标的目的，并对LIGO仪器科学做出了主要贡献，出格是提出了量子计量学理论的一系列根基概念。值得一提的是，索恩传授正在2009年辞去费曼传授职务后，起头逃求写做和片子事业。他的第一部片子就是和诺兰合做的《星际穿越》，索恩传授担任该片的科学参谋。索恩传授曾多次为《科学美国人》撰文，正在《黑洞专刊》中，就有索恩等人撰写的《把黑洞当作一张膜》。
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干与仪工做时既互相，又齐心合力。科学家但愿分析多个干与仪的消息，三角丈量法来确定引力波源正在天空中的具体。三角丈量法的道理就比如用双耳来听声音。用单耳听是无法确定声源的。声音达到两只耳朵的时间存正在先后差别，通过这个时间延迟就能够推算出声源的方位。取此雷同，一台干与仪领受到的引力波信号能够来自任何处所，正在地球概况至多需要3台互相分手的引力波探测器才能确定波源的。
现实上，广义提出的一个根基假设是，把空间的三个维度和时间维度同一正在一的时空（spacetime）是具有弹性的。就算此中空无一物，时空也可发生振动，而这种振动就是引力波。这种波取乐器发出的声波一样，也满载着消息。这些消息一方面反映了制制出引力波的事务，而另一方面也表现了引力波传布时通过的时空的性质。物理学家但愿，正在将来的几年里，美国的激光干与引力波天文台（LIGO）以及意大利VIRGO探测器能获得来自的、证明引力波存正在的间接。（2016年2月11日，LIGO科学合做组织颁布发表他们曾经探测到了引力波。2017年9月28日，LIGO和Virgo合做组颁布发表初次结合探测到来自双黑洞归并的引力波。）
巴里·巴里什（生于1936年1月27日）是美国尝试物理学家，理工学院物理系林德传授。巴里什传授于1997年至2006年担任?LIGO?项目从管，带领了LIGO扶植及初期运转，成立了LIGO国际科学合做，把LIGO从几个研究小组处置的小科学成功地成了涉及浩繁而且依赖大规模设备的大科学，最终使引力波探测成为可能。巴里什曾正在1973年8月刊的《科学美国人》中撰文，引见中微子试验的开展。
2017年10月?3日，美国物理学家雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、基普·索恩（Kip?Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish），因构想和设想激光干与仪引力波天文台?LIGO，对间接探测引力波做出精采贡献，荣获2017年诺贝尔物理学。?
LIGO于2015年9月14日初次间接探测到双黑洞归并发生的引力波，证明了爱因斯坦100年前所做的预测，填补了广义尝试验证中最初一块缺失的拼图。迄今为止，LIGO曾经确认了4个引力波信号。正在《引力波探测史：从爱因斯坦到LIGO》一文中，法国科学家达米尔?·?布斯库里克和易克?·?维兰为我们细致讲述了人类探测引力波的漫长汗青。