科学家正在寻找阿尔伯特·爱因斯坦于1916年提出的“时空经纬中的涟漪”。 在美国的两个边远地区——一个位于路易斯安那州利文斯顿附近的沼泽地和柏树林中，另一个位于华盛顿里奇兰外干旱荒芜的平原上，科学家小组正在调试有史以来最大、最灵敏的测量仪器。这套仪器是激光干涉仪引力波天文台组件，用于观测被称为引力波的自然现象。早在1916年，著名德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦就预见了这种现象。 正如水波能够在静静的池塘表面泛起涟漪一样，引力波就是时空经纬中的涟漪。2001年，大多数科学家对引力波的存在深信不疑，尽管事实上还没有人直接观测到。1993年，两名美国人，拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒，就因发现引力波存在的令人信服的间接证据而获得诺贝尔物理学奖。对许多科学家来说，这个证据足以吸引他们奔赴遥远的引力波天文台前哨。 激光干涉仪引力波天文台是麻省理工学院和加州理工学院联合创建的。美国国家科学基金为建造激光干涉仪引力波天文台提供了大约3亿美元的资金，这是这个机构资助的最大项目。 什么是引力？ 引力就是把我们的双脚控制在地面的吸引力，也是保持行星围绕恒星旋转的吸引力。尽管引力在人类活动中扮演着主要角色，但较之把原子聚在一起的电力，它还是一种很微弱的力。例如，一个电子和一个原子核之间的引力，只是它们电吸引力的1/1041。 对引力的研究可回溯到人类早期的科学。公元前4世纪，希腊哲学家亚里士多德认为，重的物体比轻的物体下落得更快。人们一直接受这种观点，直到17世纪早期，意大利天文学家和物理学家伽利略的研究显示，引力对所有下落的物体同样加速，不管它们的质量大小。伽利略让不同质量的球落下，发现它们几乎同时到达地面。 在伽利略研究的基础上，英国物理学家和数学家艾萨克·牛顿对引力做了仔细研究之后，1687年发表了万有引力定律。这个定律称，宇宙中的每一个物体都会以一种力吸引每一个其他物体，引力的大小与这些物体的质量以及它们之间的距离有关。牛顿没有尝试解释引力是怎么产生的，只是说这是一种瞬间穿过真空的神秘的力。 牛顿理论一直是物理学的基础，直到1915年，阿尔伯特·爱因斯坦提出一种新的引力理论。在爱因斯坦称为广义相对论的理论中，空间本身就在引力中起着积极作用。爱因斯坦将三维时空的概念结合到被称为“时空”的实体中。他没有把空间看成虚无，而把它描述成有着几何特性的真实的“织物”，在这个“织物”里，它可以被物体扭曲。爱因斯坦推断，引力是由于一个诸如太阳这样的巨大物体扭曲了它周围的空间而产生的，空间的扭曲是由太阳的质量使地球和其他行星一直环绕太阳运行造成的。为了使爱因斯坦的概念形象化，让我们想象在蹦床上放一个保龄球。保龄球的重量会在蹦床上压出一个坑，这时，较小的物体如弹珠之类就会滚进这个坑里。行星由于环绕轨道运动而没有“滚”入太阳，因为这个运动提供了对太阳引力的一种平衡力。 牛顿认为引力效应是瞬间发生的，而爱因斯坦则推论引力效应以光速移动。按照牛顿的观点，如果一颗恒星突然增加10%的质量，宇宙中所有其他天体就会立即受到这颗恒星增加的引力的影响。而按照爱因斯坦的观点，这种效应会以光速从这颗恒星向外辐射。 广义相对论发表以来，就成为科学家理解引力的基础，并且不断被牛顿理论所不能解释的小效应观察所确认。爱因斯坦有关“存在扭曲空间物质”的理论引发了一种观点，认为空间猛烈事件必然导致空间“织物”中的大扭曲——“空震”，并产生最终会到达地球的涟漪。当天体彼此螺旋式地相对运动时，会以引力波的形式向外辐射而损失能量，最后的碰撞会释放出巨大的引力能。 科学家认为，当引力波穿越一定的空间范围时，它会向一个方向延伸，并同时挤入垂直方向。波的这种运动叫做四极辐射。一个飘浮在空震震源附近的人会先被拉伸，然后像引力波经过一样被挤过。 努力发现最微弱的引力波 2001年，在证实引力波存在的过程中，留下了爱因斯坦理论最重要且可测试的一项证据。然而，探测引力波对科学家来说是一项严峻的挑战。虽然猛烈事件引发了空震，但当引力波从遥远的地方到达地球时，它们已极其微弱，很难检测得到。这很像一块石头掉进一个巨大湖泊的湖心时所漾起的水纹：在撞击的位置，波纹很大，当波纹向外辐射的时候，就会减小，而当波纹到达岸边的时候，就变得几乎察觉不到了。 专家推论，穿过地球的引力波只有极其微小的效应，以致当它挤压并延伸一个巨大的物体，如金门大桥这样的物体时，其距离大约只有一个质子直径的1‰。因此，这一效应很难被检测到。 搜寻引力波的尝试始于20世纪60年代。当时，美国马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯开始建造了一系列越来越灵敏的探测器，它们都以同样的原理运转。韦伯将一个很大的铝棒挂在细金属线上，使之不受地面震动的影响。他推断，如果引力波穿过这根铝棒，铝棒就会震动。因为韦伯知道这样的震动极其微弱，所以他将这根铝棒连接到灵敏的探测器上。探测器由特殊晶体组成，这种晶体受到非常微小的压缩也会产生电流。穿过铝棒的引力波会压缩这些晶体而产生电流，这是引力波存在的标志。自20世纪60年代末开始，韦伯声称他每天都检测到了引力波，但其他科学家用甚至更灵敏的相同设计，却没能复制他的结果。大多数物理学家最后摒弃了韦伯的实验结果，称他的铝棒探测器太过粗糙。虽然如此，科学家还是把他视为引力波研究领域的开拓性人物。 1974年，毕业于麻省州立大学的天文学研究生拉塞尔·赫尔斯和他的导师约瑟夫·泰勒的一项共同意外发现，最终开启了搜寻引力波的新窗户。在波多黎各的阿雷西博天文台，赫尔斯利用当时世界上最强大的射电望远镜，搜寻被称为中子星的星球。 中子星是已知最小最致密的恒星。当一颗巨大的恒星耗尽燃料，在自己引力的作用下坍塌的时候，中子星诞生了。这时，这颗恒星会经历一次巨大的爆炸，即超新星爆发。在爆炸过程中。这颗恒星会抛掉它的外层，留下主要由中子构成的致密的核。大多数中子星约30千米宽，其质量比太阳还大。 赫尔斯特别想找到一种被称为脉冲星的中子星。脉冲星是迅速旋转的中子星，发出一种无线电波窄波束。脉冲星旋转时，无线电波束就像旋转的灯塔一样扫过太空。如果脉冲星与地球排成一线，以便每次旋转电波都能扫过地球，那么，射电望远镜就能探测到以重复脉冲形式出现的电波。 然而，赫尔斯发现的脉冲星表现出令人不可思议的特性。大多数脉冲星发出的脉冲非常规则，任何变化都需要最精确的时钟才能检测到。而赫尔斯发现的脉冲星却在以变化的速率发出脉冲，这种模式每7小时45分钟重复一次。 赫尔斯和泰勒推断，如果脉冲星在围绕一颗看不见的伴星旋转的话，这样的变化就可以得到解释。这样的运行轨道会导致脉冲星发射的脉冲被多普勒效应压缩和延展。多普勒效应是以澳大利亚物理学家克里斯琴·多普勒的名字命名的，即移向或飞离观测者的声波、光波或无线电波波长的变化。例如，对一个立在站台上的观测者来说，一列进站的火车的汽笛声似乎很大，因为在火车的传送方向上声波被压缩了，声波的频率也就增加了。 引力波的间接证据 当赫尔斯的脉冲星在它的轨道上飞向地球的时候，无线电波出现得更加频繁。当脉冲星飞离地球的时候，脉冲的频率就减少。然而，因为发生变化的整个周期如此之短，这颗脉冲星不可能围绕一颗标准的恒星旋转。典型的双星系统成员——两颗恒星围绕一个共同的引力中心旋转——因为它们相隔非常遥远，要花数月或数年才运行完一圈。科学家估计，这颗伴星也一定是一颗质密天体，很可能是另一颗中子星。赫尔斯和泰勒发现了第一颗脉冲双星。 在赫尔斯和泰勒的发现提出之前，科学家就推断，在一颗双星中出现的超新星，会摧毁这颗伴星。但赫尔斯发现的这颗脉冲星，似乎是双星系统的成员，在这个系统中，两颗恒星都成了超新星而并没有相互摧毁。泰勒意识到，由于中子星如此巨大，一对中子星靠得这样近运行，会扭曲空间“织物”而足以产生巨大的引力波。这些引力波会从这两颗恒星带走能量，使它们逐渐相互呈螺旋形相对运行。泰勒预计，经过数月或数年的周期，这种变化就会变得可测。爱因斯坦的广义相对论可用于计算这些轨道收缩的速度。 赫尔斯毕业后开始了另一个领域的研究，但泰勒还继续观察那颗后来被称为“赫尔斯一泰勒脉冲星”的恒星。到1978年，泰勒已收集了足够多的资料，显示赫尔斯一泰勒脉冲星及其伴星每年相对移动大约1米，与爱因斯坦的预言大体上一致。1993年，赫尔斯和泰勒也因此被授予诺贝尔物理学奖。 尽管这个证据支持引力波的存在，但由脉冲星产生的引力波很微弱，在地球上很难被测到。科学家估计，在大约2亿年内，脉冲星将与它的伴星相撞，会产生非常强烈的引力波爆发，那时，地球上就可以测到这些引力波了。中子星与其他如黑洞这样的质密天体相撞而引发的空震，正是引力波天文台要探测的干扰形态。两个黑洞间的碰撞会产生可以想象的最强大的引力波。如果这样的碰撞发生在距离地球大约3亿光年之内，激光干涉仪引力波天文台都能探测得到。 然而，对引力波研究来说，科学家认为这样的碰撞并不普遍。他们估计，激光干涉仪引力波天文台每年可能观测不到一次这样的爆炸，更不必说频繁地观测到对撞中子星的引力波了。 建造与运作 激光干涉仪引力波天文台是美国麻省理工学院的物理学家伦纳·维斯的杰作。20世纪70年代初，他第一个提出建造这样的装置。激光干涉仪引力波天文台的灵敏度不仅比约瑟夫·韦伯的探测器高数百万倍，而且可检测更宽频率的引力波。 激光干涉仪引力波天文台实际上是一台巨大的干涉仪。干涉仪利用一对光线来进行极其精确的测量，这种光线由长度小于10-6米的微小能量波组成。光线能够用于这样的目的，是因为当两根完全相同的光线通过不同的路径走完同样的距离后结合在一起时，它们的波完全匹配。但如果两条光线走过路径的长度之差不足波长的一小部分时，就会相互干涉。一台精心设计的干涉仪能够将两条光线路径的长度与波长的一小部分进行比较。 1991年，美国国会批准投资建设激光干涉仪引力波天文台，1996年开始动工兴建。激光干涉仪引力波天文台的主要仪器包含在两根直径约1.2米，长4000米的管道中。这两根管道相互呈直角，形成一个巨大的“L”。这种形状利用了引力波的四极特性。每根管道必须抽成真空，以便减少分散光波，保证测量数据的真实性。 当激光干涉仪引力波天文台开始运转的时候，激光会打在一个置于“L”交叉点的分光板上。这个分光板是一面特殊的反光镜，设置成与激光束呈45°。镜面让1/2的光线穿过“L”的一条“腿”，而另1/2则被反射进入另一条“腿”。在每条“腿”的端点上，是一面完全反射镜，它们把光送回放置在分光板前面的特殊反射镜上。这面反射镜让小部分光通过分光板打在它上面，而将余下的光送回完全反射镜。这样，每条“腿”里的光束在返回分光板之前会来回反复多次。光束走得越远，这个仪器测量的灵敏度就越高。因为两条光束路径间的任何区别，在长距离中会更加显而易见。 在分光板上，来自两条“腿”的光束在这里会合。因为光进入激光干涉仪引力波天文台时被仔细调整，只要两条光束都走过完全相同的距离，光波会在分光板外面相互抵消。但如果距离与光波波长哪怕有一点不同，光束相互也会有一点不同步，使一些光能够渗入光探测器。穿过激光干涉仪引力波天文台的引力波，会产生暂时改变两条“腿”中反射镜之间距离的效应。这样，任何溢出探测器的额外的光，都将表明这有可能就是引力波。 识别真实的信号 像激光干涉仪引力波天文台一样灵敏的仪器，有一个致命的敌人——震动，微弱的地颤，汽车开过，或者高噪音机器，都可能刺激这台仪器，使其发出错误的信号。这就是两个激光干涉仪引力波天文台要选建在工业、交通或者地壳运动都很少的边远地区的原因。尽管如此，激光干涉仪引力波天文台还得防止哪怕是最小的运动，至关重要的部件都安装在由多层弹簧支撑的平台上，可减少大约100万次震动。即使有这些措施，科学家预计，激光干涉仪引力波天文台还是会收到1分钟1次的错误信号。 为了鉴定出真实信号，两个激光干涉仪引力波天文台相距3030千米，引力波要花大约1%秒的时间走完这个距离。这样，只有在这个时间间隔内出现在两个天文台的信号，才会被认为是引力波可能的信号。科学家认为，这两个天文台同时收到错误信号的几率为大约每10年1次。 尽管探测引力波的工作异常复杂，激光干涉仪引力波天文台的科学家对寻找这类信号却充满了奇思妙想。由于两个质密天体彼此呈螺旋形相对运动，因此在两个天体相撞之前，就会发出最强的引力波。科学家把他们预期在碰撞前就能看见的这种波型称为“唧唧声”。科学家已用计算机模拟这些波型，不过他们十分乐观地认为，这些“唧唧声”不会是激光干涉仪引力波天文台即将探测到的唯一的信号。在过去的50年里，虽然科学家已学会探测和研究不同形式的电磁辐射——无线电波、红外线和紫外线，以及X射线和伽马射线，但最有意义的发现，从来都是那些意想不到的东西。 要对天文学真正有用，激光干涉仪引力波天文台就必须提供使研究者能够弄清引力波究竟来自何处的数据。而两处天文台测得的信号之间的时间间隔，将提供引力波方向的线索。如果两处天文台的行程同步，那就意味着引力波在沿与连接这两台探测器的连线垂直的方向移动；如果两个信号到达的时间间隔1%秒，引力波就是在沿平行于那条连线的方向移动。而如果引力波在第三地被探测到，科学家就可以利用一种被称为三角测量的数学技术，来确定引力波究竟源自天空中的什么地方。这样，几台探测器将形成一个全球网络来运行。 许多科学家都盼望开始搜寻引力波，但并不想仅仅研究巨大天体的碰撞。人们相信，自宇宙大爆炸后的一瞬间开始，引力就一直扮演着重要的角色。许多天文学家认为，正是这次剧烈的膨胀诞生了宇宙，而激光干涉仪引力波天文台可能透露出它与之邂逅的蛛丝马迹。自2001年以来，天文学家利用所有能够利用的仪器，依赖可观测宇宙中天体发射的电磁辐射来研究这个问题。因为引力波并不是电磁辐射的一种形式，所以天文学家无从研究混沌初开时可能就有的、大碰撞产生的引力波。许多科学家认为，像激光干涉仪引力波天文台这样的观测设备，有可能探测到自大爆炸后的瞬间就开始存在的引力波，这为天文学家研究宇宙的发展提供了一个重要的新工具。 引力波成为天文学家用来了解更多宇宙知识的又一个工具。像激光干涉仪引力波天文台及其更强大的继任者一样仪器，可能开启了宇宙的一扇新的窗户，有助于解开宇宙中一些最深层次的秘密。
科学家正在寻找阿尔伯特·爱因斯坦于1916年提出的“时空经纬中的涟漪”。 在美国的两个边远地区——一个位于路易斯安那州利文斯顿附近的沼泽地和柏树林中，另一个位于华盛顿里奇兰外干旱荒芜的平原上，科学家小组正在调试有史以来最大、最灵敏的测量仪器。这套仪器是激光干涉仪引力波天文台组件，用于观测被称为引力波的自然现象。早在1916年，著名德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦就预见了这种现象。 正如水波能够在静静的池塘表面泛起涟漪一样，引力波就是时空经纬中的涟漪。2001年，大多数科学家对引力波的存在深信不疑，尽管事实上还没有人直接观测到。1993年，两名美国人，拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒，就因发现引力波存在的令人信服的间接证据而获得诺贝尔物理学奖。对许多科学家来说，这个证据足以吸引他们奔赴遥远的引力波天文台前哨。 激光干涉仪引力波天文台是麻省理工学院和加州理工学院联合创建的。美国国家科学基金为建造激光干涉仪引力波天文台提供了大约3亿美元的资金，这是这个机构资助的最大项目。 什么是引力？ 引力就是把我们的双脚控制在地面的吸引力，也是保持行星围绕恒星旋转的吸引力。尽管引力在人类活动中扮演着主要角色，但较之把原子聚在一起的电力，它还是一种很微弱的力。例如，一个电子和一个原子核之间的引力，只是它们电吸引力的1/1041。 对引力的研究可回溯到人类早期的科学。公元前4世纪，希腊哲学家亚里士多德认为，重的物体比轻的物体下落得更快。人们一直接受这种观点，直到17世纪早期，意大利天文学家和物理学家伽利略的研究显示，引力对所有下落的物体同样加速，不管它们的质量大小。伽利略让不同质量的球落下，发现它们几乎同时到达地面。 在伽利略研究的基础上，英国物理学家和数学家艾萨克·牛顿对引力做了仔细研究之后，1687年发表了万有引力定律。这个定律称，宇宙中的每一个物体都会以一种力吸引每一个其他物体，引力的大小与这些物体的质量以及它们之间的距离有关。牛顿没有尝试解释引力是怎么产生的，只是说这是一种瞬间穿过真空的神秘的力。 牛顿理论一直是物理学的基础，直到1915年，阿尔伯特·爱因斯坦提出一种新的引力理论。在爱因斯坦称为广义相对论的理论中，空间本身就在引力中起着积极作用。爱因斯坦将三维时空的概念结合到被称为“时空”的实体中。他没有把空间看成虚无，而把它描述成有着几何特性的真实的“织物”，在这个“织物”里，它可以被物体扭曲。爱因斯坦推断，引力是由于一个诸如太阳这样的巨大物体扭曲了它周围的空间而产生的，空间的扭曲是由太阳的质量使地球和其他行星一直环绕太阳运行造成的。为了使爱因斯坦的概念形象化，让我们想象在蹦床上放一个保龄球。保龄球的重量会在蹦床上压出一个坑，这时，较小的物体如弹珠之类就会滚进这个坑里。行星由于环绕轨道运动而没有“滚”入太阳，因为这个运动提供了对太阳引力的一种平衡力。 牛顿认为引力效应是瞬间发生的，而爱因斯坦则推论引力效应以光速移动。按照牛顿的观点，如果一颗恒星突然增加10%的质量，宇宙中所有其他天体就会立即受到这颗恒星增加的引力的影响。而按照爱因斯坦的观点，这种效应会以光速从这颗恒星向外辐射。 广义相对论发表以来，就成为科学家理解引力的基础，并且不断被牛顿理论所不能解释的小效应观察所确认。爱因斯坦有关“存在扭曲空间物质”的理论引发了一种观点，认为空间猛烈事件必然导致空间“织物”中的大扭曲——“空震”，并产生最终会到达地球的涟漪。当天体彼此螺旋式地相对运动时，会以引力波的形式向外辐射而损失能量，最后的碰撞会释放出巨大的引力能。 科学家认为，当引力波穿越一定的空间范围时，它会向一个方向延伸，并同时挤入垂直方向。波的这种运动叫做四极辐射。一个飘浮在空震震源附近的人会先被拉伸，然后像引力波经过一样被挤过。 努力发现最微弱的引力波 2001年，在证实引力波存在的过程中，留下了爱因斯坦理论最重要且可测试的一项证据。然而，探测引力波对科学家来说是一项严峻的挑战。虽然猛烈事件引发了空震，但当引力波从遥远的地方到达地球时，它们已极其微弱，很难检测得到。这很像一块石头掉进一个巨大湖泊的湖心时所漾起的水纹：在撞击的位置，波纹很大，当波纹向外辐射的时候，就会减小，而当波纹到达岸边的时候，就变得几乎察觉不到了。 专家推论，穿过地球的引力波只有极其微小的效应，以致当它挤压并延伸一个巨大的物体，如金门大桥这样的物体时，其距离大约只有一个质子直径的1‰。因此，这一效应很难被检测到。 搜寻引力波的尝试始于20世纪60年代。当时，美国马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯开始建造了一系列越来越灵敏的探测器，它们都以同样的原理运转。韦伯将一个很大的铝棒挂在细金属线上，使之不受地面震动的影响。他推断，如果引力波穿过这根铝棒，铝棒就会震动。因为韦伯知道这样的震动极其微弱，所以他将这根铝棒连接到灵敏的探测器上。探测器由特殊晶体组成，这种晶体受到非常微小的压缩也会产生电流。穿过铝棒的引力波会压缩这些晶体而产生电流，这是引力波存在的标志。自20世纪60年代末开始，韦伯声称他每天都检测到了引力波，但其他科学家用甚至更灵敏的相同设计，却没能复制他的结果。大多数物理学家最后摒弃了韦伯的实验结果，称他的铝棒探测器太过粗糙。虽然如此，科学家还是把他视为引力波研究领域的开拓性人物。 1974年，毕业于麻省州立大学的天文学研究生拉塞尔·赫尔斯和他的导师约瑟夫·泰勒的一项共同意外发现，最终开启了搜寻引力波的新窗户。在波多黎各的阿雷西博天文台，赫尔斯利用当时世界上最强大的射电望远镜，搜寻被称为中子星的星球。 中子星是已知最小最致密的恒星。当一颗巨大的恒星耗尽燃料，在自己引力的作用下坍塌的时候，中子星诞生了。这时，这颗恒星会经历一次巨大的爆炸，即超新星爆发。在爆炸过程中。这颗恒星会抛掉它的外层，留下主要由中子构成的致密的核。大多数中子星约30千米宽，其质量比太阳还大。 赫尔斯特别想找到一种被称为脉冲星的中子星。脉冲星是迅速旋转的中子星，发出一种无线电波窄波束。脉冲星旋转时，无线电波束就像旋转的灯塔一样扫过太空。如果脉冲星与地球排成一线，以便每次旋转电波都能扫过地球，那么，射电望远镜就能探测到以重复脉冲形式出现的电波。 然而，赫尔斯发现的脉冲星表现出令人不可思议的特性。大多数脉冲星发出的脉冲非常规则，任何变化都需要最精确的时钟才能检测到。而赫尔斯发现的脉冲星却在以变化的速率发出脉冲，这种模式每7小时45分钟重复一次。 赫尔斯和泰勒推断，如果脉冲星在围绕一颗看不见的伴星旋转的话，这样的变化就可以得到解释。这样的运行轨道会导致脉冲星发射的脉冲被多普勒效应压缩和延展。多普勒效应是以澳大利亚物理学家克里斯琴·多普勒的名字命名的，即移向或飞离观测者的声波、光波或无线电波波长的变化。例如，对一个立在站台上的观测者来说，一列进站的火车的汽笛声似乎很大，因为在火车的传送方向上声波被压缩了，声波的频率也就增加了。 引力波的间接证据 当赫尔斯的脉冲星在它的轨道上飞向地球的时候，无线电波出现得更加频繁。当脉冲星飞离地球的时候，脉冲的频率就减少。然而，因为发生变化的整个周期如此之短，这颗脉冲星不可能围绕一颗标准的恒星旋转。典型的双星系统成员——两颗恒星围绕一个共同的引力中心旋转——因为它们相隔非常遥远，要花数月或数年才运行完一圈。科学家估计，这颗伴星也一定是一颗质密天体，很可能是另一颗中子星。赫尔斯和泰勒发现了第一颗脉冲双星。 在赫尔斯和泰勒的发现提出之前，科学家就推断，在一颗双星中出现的超新星，会摧毁这颗伴星。但赫尔斯发现的这颗脉冲星，似乎是双星系统的成员，在这个系统中，两颗恒星都成了超新星而并没有相互摧毁。泰勒意识到，由于中子星如此巨大，一对中子星靠得这样近运行，会扭曲空间“织物”而足以产生巨大的引力波。这些引力波会从这两颗恒星带走能量，使它们逐渐相互呈螺旋形相对运行。泰勒预计，经过数月或数年的周期，这种变化就会变得可测。爱因斯坦的广义相对论可用于计算这些轨道收缩的速度。 赫尔斯毕业后开始了另一个领域的研究，但泰勒还继续观察那颗后来被称为“赫尔斯一泰勒脉冲星”的恒星。到1978年，泰勒已收集了足够多的资料，显示赫尔斯一泰勒脉冲星及其伴星每年相对移动大约1米，与爱因斯坦的预言大体上一致。1993年，赫尔斯和泰勒也因此被授予诺贝尔物理学奖。 尽管这个证据支持引力波的存在，但由脉冲星产生的引力波很微弱，在地球上很难被测到。科学家估计，在大约2亿年内，脉冲星将与它的伴星相撞，会产生非常强烈的引力波爆发，那时，地球上就可以测到这些引力波了。中子星与其他如黑洞这样的质密天体相撞而引发的空震，正是引力波天文台要探测的干扰形态。两个黑洞间的碰撞会产生可以想象的最强大的引力波。如果这样的碰撞发生在距离地球大约3亿光年之内，激光干涉仪引力波天文台都能探测得到。 然而，对引力波研究来说，科学家认为这样的碰撞并不普遍。他们估计，激光干涉仪引力波天文台每年可能观测不到一次这样的爆炸，更不必说频繁地观测到对撞中子星的引力波了。 建造与运作 激光干涉仪引力波天文台是美国麻省理工学院的物理学家伦纳·维斯的杰作。20世纪70年代初，他第一个提出建造这样的装置。激光干涉仪引力波天文台的灵敏度不仅比约瑟夫·韦伯的探测器高数百万倍，而且可检测更宽频率的引力波。 激光干涉仪引力波天文台实际上是一台巨大的干涉仪。干涉仪利用一对光线来进行极其精确的测量，这种光线由长度小于10-6米的微小能量波组成。光线能够用于这样的目的，是因为当两根完全相同的光线通过不同的路径走完同样的距离后结合在一起时，它们的波完全匹配。但如果两条光线走过路径的长度之差不足波长的一小部分时，就会相互干涉。一台精心设计的干涉仪能够将两条光线路径的长度与波长的一小部分进行比较。 1991年，美国国会批准投资建设激光干涉仪引力波天文台，1996年开始动工兴建。激光干涉仪引力波天文台的主要仪器包含在两根直径约1.2米，长4000米的管道中。这两根管道相互呈直角，形成一个巨大的“L”。这种形状利用了引力波的四极特性。每根管道必须抽成真空，以便减少分散光波，保证测量数据的真实性。 当激光干涉仪引力波天文台开始运转的时候，激光会打在一个置于“L”交叉点的分光板上。这个分光板是一面特殊的反光镜，设置成与激光束呈45°。镜面让1/2的光线穿过“L”的一条“腿”，而另1/2则被反射进入另一条“腿”。在每条“腿”的端点上，是一面完全反射镜，它们把光送回放置在分光板前面的特殊反射镜上。这面反射镜让小部分光通过分光板打在它上面，而将余下的光送回完全反射镜。这样，每条“腿”里的光束在返回分光板之前会来回反复多次。光束走得越远，这个仪器测量的灵敏度就越高。因为两条光束路径间的任何区别，在长距离中会更加显而易见。 在分光板上，来自两条“腿”的光束在这里会合。因为光进入激光干涉仪引力波天文台时被仔细调整，只要两条光束都走过完全相同的距离，光波会在分光板外面相互抵消。但如果距离与光波波长哪怕有一点不同，光束相互也会有一点不同步，使一些光能够渗入光探测器。穿过激光干涉仪引力波天文台的引力波，会产生暂时改变两条“腿”中反射镜之间距离的效应。这样，任何溢出探测器的额外的光，都将表明这有可能就是引力波。 识别真实的信号 像激光干涉仪引力波天文台一样灵敏的仪器，有一个致命的敌人——震动，微弱的地颤，汽车开过，或者高噪音机器，都可能刺激这台仪器，使其发出错误的信号。这就是两个激光干涉仪引力波天文台要选建在工业、交通或者地壳运动都很少的边远地区的原因。尽管如此，激光干涉仪引力波天文台还得防止哪怕是最小的运动，至关重要的部件都安装在由多层弹簧支撑的平台上，可减少大约100万次震动。即使有这些措施，科学家预计，激光干涉仪引力波天文台还是会收到1分钟1次的错误信号。 为了鉴定出真实信号，两个激光干涉仪引力波天文台相距3030千米，引力波要花大约1%秒的时间走完这个距离。这样，只有在这个时间间隔内出现在两个天文台的信号，才会被认为是引力波可能的信号。科学家认为，这两个天文台同时收到错误信号的几率为大约每10年1次。 尽管探测引力波的工作异常复杂，激光干涉仪引力波天文台的科学家对寻找这类信号却充满了奇思妙想。由于两个质密天体彼此呈螺旋形相对运动，因此在两个天体相撞之前，就会发出最强的引力波。科学家把他们预期在碰撞前就能看见的这种波型称为“唧唧声”。科学家已用计算机模拟这些波型，不过他们十分乐观地认为，这些“唧唧声”不会是激光干涉仪引力波天文台即将探测到的唯一的信号。在过去的50年里，虽然科学家已学会探测和研究不同形式的电磁辐射——无线电波、红外线和紫外线，以及X射线和伽马射线，但最有意义的发现，从来都是那些意想不到的东西。 要对天文学真正有用，激光干涉仪引力波天文台就必须提供使研究者能够弄清引力波究竟来自何处的数据。而两处天文台测得的信号之间的时间间隔，将提供引力波方向的线索。如果两处天文台的行程同步，那就意味着引力波在沿与连接这两台探测器的连线垂直的方向移动；如果两个信号到达的时间间隔1%秒，引力波就是在沿平行于那条连线的方向移动。而如果引力波在第三地被探测到，科学家就可以利用一种被称为三角测量的数学技术，来确定引力波究竟源自天空中的什么地方。这样，几台探测器将形成一个全球网络来运行。 许多科学家都盼望开始搜寻引力波，但并不想仅仅研究巨大天体的碰撞。人们相信，自宇宙大爆炸后的一瞬间开始，引力就一直扮演着重要的角色。许多天文学家认为，正是这次剧烈的膨胀诞生了宇宙，而激光干涉仪引力波天文台可能透露出它与之邂逅的蛛丝马迹。自2001年以来，天文学家利用所有能够利用的仪器，依赖可观测宇宙中天体发射的电磁辐射来研究这个问题。因为引力波并不是电磁辐射的一种形式，所以天文学家无从研究混沌初开时可能就有的、大碰撞产生的引力波。许多科学家认为，像激光干涉仪引力波天文台这样的观测设备，有可能探测到自大爆炸后的瞬间就开始存在的引力波，这为天文学家研究宇宙的发展提供了一个重要的新工具。 引力波成为天文学家用来了解更多宇宙知识的又一个工具。像激光干涉仪引力波天文台及其更强大的继任者一样仪器，可能开启了宇宙的一扇新的窗户，有助于解开宇宙中一些最深层次的秘密。