最后更新：2025年9月1日

引力波：宇宙结构的振动

两个黑洞合并产生的引力波 — *数值可视化展示两个黑洞在螺旋轨道中运行，周围环绕着代表时空扰动的波浪状蓝色曲线。图片来源：astronoo.com*

什么是波？

波是一种物理现象，涉及扰动通过物质介质或真空的传播。它传递能量而不伴随物质的净迁移。根据其性质和传播介质，可区分出多种类型的波。

机械波，如水波或地震波，需要物质介质（液体、固体、气体）才能传播。它们具有振幅、波长\(\lambda\)、频率\(f\)和传播速度\(v\)等特征，这些量由基本方程\(v = \lambda f\)相关联。

电磁波，如可见光、无线电波或X射线，是电场和磁场的耦合振荡，能够以光速 \(c \approx 3 \times 10^8\ \text{m/s}\) 在真空中传播。

最后，引力波属于另一类别：它们并非物质介质的振动，而是时空度规本身的扰动。与经典波不同，引力波会直接改变自由物体间测得的距离。

注：物理现象是指可观察且可测量的事件，能够用物理定律描述，例如物体下落、波的传播或光的发射。就引力波而言，它是时空本身的扰动，而非物质介质的振动。

什么是引力波？

引力波是时空（宇宙结构）中的涟漪，由阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）于1916年作为广义相对论（1915年）的一部分预言。它们以光速\((c)\)传播，源于极其剧烈的宇宙事件，例如两个黑洞或中子星的合并。

引力波提供了一种探测宇宙的新方式。与电磁波（无线电波、可见光、X射线）不同，它们不会被物质吸收。这使得我们能够研究此前无法触及的区域，例如超新星内部或宇宙大爆炸后的最初几秒。

一项重大实验性探测

2015年9月14日，LIGO干涉仪首次直接观测到引力波，该波源于13亿光年外两个黑洞的合并。测量到的信号对应相对长度变化 \(\Delta L / L \approx 10^{-21}\)，相当于在4公里长的臂上探测到比质子直径还小的形变。

如何测量比质子直径还小的形变？

引力波探测器（如LIGO和Virgo）的灵敏度依赖于激光干涉测量技术。其原理是通过将一束激光分为两束，经悬挂在超真空环境中的摆式反射镜反射后重新合并，以极高精度比较两条相互垂直的4公里臂长——这种超真空环境本身充当了天然的机械滤波器。

当引力波穿过仪器时，会引起相对长度变化 \(\Delta L / L \approx 10^{-21}\)，即绝对变化 \(\Delta L \approx 4 \times 10^{-18}\ \text{m}\)。该数值约为质子直径（\(\sim 10^{-15}\ \text{m}\)）的百分之一。

为了实现这种精度，采用了多种技术：

法布里-珀罗腔：臂内包含反射镜，使光束反射数百次，从而提升有效灵敏度。
主动悬架：通过使用摆锤系统和主动阻尼器，将镜面与地震振动隔离开来。
超高真空：光束在维持于约 \(10^{-9}\ \text{atm}\) 的管道中传播，消除了空气扰动。
放大光功率：几十瓦的激光被循环利用，以增加测量干涉的光子数量。
量子技术：使用压缩光可减少来自真空的量子噪声，这种噪声会限制高频测量。

得益于这些方法的结合，干涉仪实现了前所未有的精度，能够在数公里的宏观距离上探测到比质子直径还小的变化。

主要引力波探测事件
日期	事件	源。	距离
2015年9月14日	GW150914	两个黑洞（质量分别为36倍和29倍太阳质量）的合并	13亿光年
2017年8月17日	GW170817	两颗中子星的合并	1.3亿光年
2019年5月21日	GW190521	两个巨大黑洞（质量分别为85倍和66倍太阳质量）的合并	70亿光年