百年引力波的魅力
10月16日，南京紫金山天文臺對外發布一項重大發現，我國南極巡天望遠鏡追蹤探測到首例引力波事件光學信號。另外，我國第一顆空間X射線天文衛星——「慧眼」望遠鏡在此次引力波事件發生時，成功檢測了引力波源所在的天區。
從1916年愛因斯坦在《德國物理學》雜誌上發表《廣義相對論基礎》一文，到2016年2月11日美國國家科學基金會攜加州理工學院、麻省理工學院和LIGO科學合作組織的科學家宣布首次直接探測到了引力波，人類對引力波的探索已經有百年曆程。那麼，引力波到底是什麼，為什麼一代代科學家都對此執著研究？
如同船在水中引起的漣漪
2015年，美國科幻、奇幻和恐怖電影學院將土星獎最佳影片頒給了電影《星際穿越》，這部電影關於時間空間的闡述手法令人稱奇，而影片的科學顧問就是今年諾貝爾物理學獎得主之一基普·索恩，他的獲獎原因是構思和設計雷射幹涉儀引力波天文臺LIGO，對直接探測引力波作出傑出貢獻。
在2009年以前，基普·索恩一直擔任加州理工學院費曼理論物理學教授，奠定了引力波探測的理論基礎，開創了引力波波形計算以及數據分析的研究方向。辭去費曼教授職務後，他開始鍾情於電影，第一部就是與諾蘭合作的《星際穿越》。
事實上，引力波也是在解釋空間和時間的關係，愛因斯坦在《廣義相對論基礎》一文中認為，空間、時間是一個整體，引力不是通常意義下的力，而是時空彎曲的一種表現，本質是一種幾何現象。這種時空彎曲的曲率與處於時空中的物質直接相聯繫，物質的存在會使周圍的時空發生彎曲，並且會以光速向四周傳播，這種波動即為引力波。
簡單來說，廣義相對論認為，大到天體，小到人類本身，在運動時都會使周圍的時空產生漣漪，就如同船在水中移動時會產生水波一樣，船是物質，水好比是時空，水產生的波動就是引力波。只不過，這樣的波動非常不易察覺，這使得愛因斯坦的引力波理論在很長一段時期都沒有得到實驗驗證。
從一個公式發展到一個網絡
引力波探測的困難，與宇宙的浩瀚不無關係。探測引力波的方式，是利用引力波的潮汐效應，探測引力波作用下兩個物體之間的距離變化，而這種變化，是非常微小的。
一般來說，如果宇宙中發生了超新星爆發、黑洞形成的「大事件」，相應天體會產生巨大的引力波，不過，這樣的現象具有非常大的偶然性，很難遇到並恰好捕捉到。於是，科學家們開始關注另一種天體，一種可以發出連續引力波的天體——雙星。雙星是兩顆繞著共同的重心旋轉的恆星，人們肉眼可見的天狼星就是雙星，其伴星為白矮星。
相對而言，雙星系統運動狀態穩定，引力波輻射可以導致繞轉頻率加快，軌道周期變小，如果能測出雙星變化周期律與廣義相對論中的公式相符，就能間接證實引力波的存在。美國麻薩諸塞大學的赫爾斯和泰勒於1974年用射電望遠鏡發現了第一顆脈衝雙星PSR1913+16，並於4年後測定周期變化率，與廣義相對論公式給出的理論值不超過1%。兩人最終因此成功獲得諾貝爾物理學獎。
就在赫爾斯和泰勒探測脈衝雙星的同時期，麻省理工學院的雷納·韋斯和馬布裡休斯實驗室的羅伯特·佛瓦德分別建造了雷射幹涉引力波探測器，探測器有兩個相互垂直、長度相等的幹涉雙臂，當有引力波通過時，一臂拉升一臂壓縮，光電接收器的光強就會發生變化
因為對引力波探測作出的貢獻，雷納·韋斯也獲得了今年的諾貝爾物理學獎。而在上世紀90年代，包括美、法、意、德、英、日、澳等多個國家在內，都獨立或合作建造了雷射幹涉引力波探測器，並且組成一個國際觀測網絡，只要一個觀測器收到信號，就能數據共享。
中國人不會缺席
即便建立了觀測網絡，想要觀測到引力波信號也絕非易事。例如去年探測到的引力波信號GW150914，是13億光年之外兩顆黑洞合併最後階段產生的，相當於29顆太陽與36顆太陽，最後合併成一顆62倍太陽質量高速旋轉的黑洞，在信號釋放到宇宙空間13億年後抵達地球。那麼，如此巨大星球合併產生的引力波引起了實驗儀器怎樣的反應呢？實驗設備4公裡的臂長，改變了相當於質子直徑萬分之一的長度，相當於太陽與最近恆星之間的距離，改變了一個頭髮絲的寬度。
那麼，觀測到這「萬分之一質子直徑」的變化，需要多精準的儀器呢？為了排除地震、聲波等幹擾，引力波信號需要距離很遠的兩個地方同時檢測到才算數。探測到GW150914信號的兩個探測站，分別位於美國的華盛頓州和路易斯安納州，相距3000公裡。
各國之所以投入巨資用於引力波探測，是因為引力波對於天文學和物理學研究有重要作用。人們最初了解宇宙的方式，是仰望星空，但是，光並不能穿透一切物質，而引力波則可以幾乎不受阻擋地穿過一切天體，遙遠恆星的光會被其它介質阻擋，但其產生的引力波不會。這就使得人類了解天體信息的渠道增加了，進一步研究之下，也將對天體物理學和相對論宇宙學產生深遠影響。有的科學家甚至認為，引力波的發現如同電磁波一樣，在未來產生科技革命也不是沒有可能。
在引力波的探測上，中國人也沒有缺席。最近一次引力波事件發生時，全球僅有4臺X射線和伽馬射線望遠鏡成功監測到爆發天區，而中國的「慧眼」就是其中一臺，而且在四臺望遠鏡裡面有效面積和時間解析度最高。
目前，我國已經啟動了由中山大學領銜的「天琴計劃」和中科院高能物理研究所主導的「阿里實驗計劃」，前者是去太空捕捉引力波，將分四個階段約20年實施；後者是在地面探測原初引力波，利用高海拔優勢開展北半球首個搜尋原初引力波的望遠鏡計劃。