2016年2月11日，LIGO（激光干涉引力波天文台）宣布探测到了引力波，一时全球轰动，可谓一石激起千层浪，引发世人纷纷围观，各种新闻报道接踵而至，各种解读分析也纷至沓来。在这一波热浪即将平息之时，仍有很多朋友对此意犹未尽，纷纷追问：引力波到底是什么东西？爱因斯坦凭什么预言了引力波？引力波与引力子又是什么关系？甚至还有人质问：LIGO凭什么判断它们探测到的信号就是引力波？即便就是引力波，是否说明广义相对论被完全证实？

其实LIGO在2015的9月14日就探测到了引力波，为何迟迟不公布，一直拖延到2016年呢？因为类似的乌龙事件在2014年出现过一次，当时美国BICEP2团队声称：他们在南极用射电望远镜发现了原初引力波，就是宇宙大爆炸所产生的引力波。一时举世震惊，但后来证实那不是引力波，而是银河系中尘埃所引起的扰动，搞得大家空欢喜一场。

银河系的尘埃就会影响探测结果，这说明引力波信号特别微弱，很小的扰动都会影响判断。形象点说，观测现场一个披萨饼落地，都会影响观测结果，甚至令人误以为是引力波来了。所以当LIGO刚获得信号时，虽然觉得是两个黑洞合并所产生的引力波，但没有急于公布，而是对信号进行仔细分析、反复比对，最终认定这真的是引力波，才敢于公布。

他们敢于认定这一点，靠的是两个探测器，它们相隔3000千米，几乎同时接受到了这个信号，而且两个信号的波形完全一致。可见这的确是来自宇宙的引力波，而不是有人摔披萨饼所造成的扰动。因为不可能有两个人分别在相距3000千米的两个探测器的附近，同时摔比萨饼，而且摔的都是12寸、蘑菇鸡肉的，连摔的角度都一样。这就是为什么要用两个不同地点的探测器，分别观测到类似的信号才有说服力。

或许还有朋友担心，会不会是有两个人串通好故意搞的恶作剧，同时在两个场子摔了一个披萨。不排除这个可能，并且他们一直都在搞恶作剧。此番引力波的发现是LIGO和VIRGO两方人员合作进行的，但用的是LIGO的探测器，因为它的探测器臂长更长。LIGO和VIRGO其实特别担闹乌龙，这关乎到两个组织的声誉。为了避免这一点，他们专门成立了三人小组，专门负责恶搞，就是故意向探测器中注入类似引力波的信号，看看研究人员能否分出真假。结果在2010年9月16日，LIGO和VIRGO同时探测到一个信号，来自大犬座，这令研究人员大为兴奋。结果是论文写好待发，记者招待会也准备要开了，三人小组出来说，大犬的信号是他们释放的假信号。不知道那一刻研究人员是什么感觉，是不是想打人？原来大狗的信号是你们发的！

所以这一次测到信号后，他们特别谨慎，就怕又被自己人愚弄了，拖了许久才公布。

LIGO通过对这个信号的分析，认为这是13亿年前发生的一场宇宙级的黑社会火并重大事件，也就是两个黑洞合并了。13亿年前的事，为什么地球人现在才察觉？因为双黑洞系统距离地球13亿光年。

这两个黑洞，一个质量相当于二十九个太阳，一个质量相当于三十六个太阳，刚开始互相绕着对方转动，越转越近，最终就合并成了一个黑洞，相当于六十二个太阳。为什么会差三个？那三个变成能量释放了。多大的能量？E＝MC²，一个单位的质量可以变成光速平方倍的能量，光速是30万千米/秒，30万的平方是什么概念？而且现在是三个太阳质量的30万平方倍。这么大的能量是以什么方式释放的呢？就是通过引力波释放的，引力波把这些能量带走了。

什么是引力波？如果有人顾名思义，认为是波一般的引力，或者引力如同波一样传播，那就大错特错了。引力波的专业说法是：四维时空曲率的扰动以行进波的方式向外传递的一种方式，所以更应该叫曲率波。但这听着太专业了，我们还是听一个软和一点的，引力波就是时空弯曲的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播。这个听起来还有些感觉，时空弯曲的涟漪，好有诗意。

时空为何会弯曲？爱因斯坦在广义相对论中告诉我们，物体的质量会让时空弯曲，一旦物体发生运动或质量发生变化，时空的弯曲程度就会变化，形成涟漪一般的波，就会向外传播。举例来说就是：

在一个平静的湖面上放一个皮球，皮球之下的水面就是一个弧形，这就叫物体质量引起时空弯曲；但此时湖面仍然是平静的，并没有什么水波出现。我们在旁边再放一个皮球，只要不动它，仍然没有水波出现。但如果两个皮球在湖面互相绕着转动，湖面就会产生水波向外传播，诗人把这叫“阵阵涟漪”。如果我们把湖面视作时空的话，这个涟漪就是时空的涟漪——引力波。

大家想一想，两个质量超大的黑洞互相绕着对方转动，而且速度越来越快，最后合并在一起，这个过程将会令它周围的时空发生多么大的变化！时空的弯曲程度会随着两个黑洞的旋转与合并发生巨大扰动，形成时空涟漪向外传播，形成了高强度的引力波，总有一天会传播到地球。

引力波传到地球后，会在一个空间方向进行拉伸，在另一个方向挤压。拉伸和挤压是振荡的，波峰来时，上下拉伸、前后挤压；波谷来时，上下挤压、前后拉伸，如此反复。大家这么一看，似乎测量引力波也不需要什么太高的技术，不就看看某个物体是不是被变形吗？比如你在量身高时，突然发现你的身高忽高忽低，变高时身体变瘦、变矮时身体变胖，这就意味着引力波来了，就这么简单。如此说来，LIGO还有什么牛的呢？

是这样的，根据广义相对论，引力波在传播过程中是不断衰减的，也就是时空一弯一曲地从黑洞合并处向外传播，刚开始弯曲扰动得特别厉害，但传得越远对时空的扰动就越小。大家想想，合并的黑洞距离地球13亿光年，引力波到了这里就衰减得不像啥了，对地球物体产生的变形微乎其微。具体说来，这两个黑洞合并所产生的引力波传到地球，其所能造成的变形只有原物体大小的，一方面意味着变形极其微小，令探测极为困难，另一方面，意味着越长越大的物体受到的影响要相对明显。

若你身高两米，引力波来袭后，对你身高的影响不及氢原子直径的500亿分之一。而LIGO探测器的臂长是4000米，引力波对其长度的影响也就是氢原子直径的2.5千万分之一。这还是太小。LIGO为什么不把探测器做得再长一些，做到400万米？如果那样，美国就破产了。

那么LIGO采用了什么方式，竟然可以探测到氢原子直径的2.5千万分之一的长度变化？这就是传说中的激光干涉仪。它是由两个互相垂直的干涉臂组成的，臂长均4000米，还是挺壮观的。工作原理是什么？就是干涉。

我们在中学时应该做过双缝干涉实验，不妨回忆一下。让一束单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上，从两个狭缝中出来的两道光就会在后面的屏幕上产生明暗相间的条纹，这就是干涉条纹，即干涉现象。

为什么会这样？因为光是一种波，狭缝中出来的两道光就是两束光波。所谓波，就是波峰、波谷呈波浪式向前传播，到达屏幕上的某点。若正好是两束光的波峰与波峰叠加，就等于是加强，显示亮条纹；若是波峰与波谷叠加，等于就抵消了，显示暗条纹。只要屏幕与双缝的距离不变，条纹也不会动，一旦距离稍微变动，则干涉条纹就会移动，特别敏感，因为光波的周期和波长都很短。这就是干涉仪能够测量微小变化的原理。

LIGO就是基于这个原理，但实际运用稍有不同，具体是这样的：LIGO有两个互相垂直的双臂，在两臂的交会处放置一个激光光源，让它发出一束光，然后一分为二，分别进入超真空状态的两臂，在两臂的终点都有一个镜面，能将这两束光都反射回来，反射回来的两束光就在出发点再次相遇。它俩会说一句：咋这么巧，刚分别又见面了！在寒暄的同时，二者也就干涉起来，形成明暗条纹。

正常情况下，这个干涉条纹是不动的，一旦有引力波来袭，会发生什么情况呢？我们刚才说了，引力波会在一个空间方向上拉伸，在另一个方向上挤压。而LIGO的双臂是垂直的，也就是在不同的空间方向上，一个臂长会拉长，另一个会缩短，那么两束激光在两臂走过的距离就发生了变化。尽管这个变化非常小，但光波的波长也很小，所以它能感受得到。但光感受到了怎么告诉研究人员呢？就是以干涉条纹发生变化来显示的，一旦光程差发生一丁点变化，干涉条纹马上会移动。两臂长度越长，引力波拉长和缩短的距离就越明显，则两束激光光程差的变化就越大，干涉条纹的变化就越明显。

这个设计真是太妙了，其设计最早出现在迈克尔逊-莫雷用来观测以太所用的干涉仪。

LIGO建成这两个巨型干涉仪后，就静静地等待。他们也不知道要等多久，运气好了一年，不好了十年、二十年。但他们运气真的很好，2015年9月14日，久违的它来了，是那么纤弱，又是那么惊艳，它的波形活脱脱地展示出两个黑洞的瞬间合并。(www.daowen.com)

以上内容，“水分”比较大，都是大家听说过的大路货。

现在准备讲点干货了。很多人问我这样一个问题：发现了引力波是不是就等于发现了引力子？引力波和引力子到底是什么关系？其实我对这个问题也特别有兴趣。我最初的感觉是，两者不是一回事，是不同理论体系下的两个概念。但很多文章轻而易举地将两者等价，只是进行类比，说把电磁波量子化以后就是光子，所以说电磁波与光子的等价关系，就相当于引力波与引力子的等价关系。

这纯属类比论证，但严格来说，类比不是一种论证的方式，只是一种形象说明的方式。当年在经典物理中，光只是电磁波，但无法解释光电效应，直到爱因斯坦才提出：电磁波是分立的光量子构成。这个光量子假设不但解释了光电效应，还解释了经典物理无法解释的康普顿效应，这样光量子学说才被大家认可，现在直接叫光子。所以将电磁波量子化不是随随便便说的，要能得到实验的支撑。所谓量子化，就是把它变成离散的、不连续的、一份一份的。以引力波类比电磁波其实特别不合适，电磁波再虚，也是互相激发电场和磁场，把它从连续的图景换成一份一份的、不连续的，还是可以想象的。但是引力波是时空曲率的传播，是时空涟漪，纯属广义相对论中的理念。而引力子是量子力学中假想的概念，认为两个物体之间的万有引力是由于互相之间传递引力子造成的，与引力波这个概念真不是一回事。如果非要将引力波等价于引力子，就等于要将时空量子化，就是要认为时间和空间并非是连续的，而是离散的、一小块一小块的。你敢不敢这样想？

来到近代物理的领域就一定要“二”，否则要么彻底不懂，要么被吓破胆。时间和空间量子化，早就有学者干过这种事儿，而且干出了不少成果。

这里给大家介绍一下圈量子理论中的一些结论，这个圈量子力学是极度前沿的理论。普通的量子力学只是告诉我们能量不是无限可分的，有一个最小单位，即是不连续的。现在圈量子理论告诉我们，空间也是离散的。

想象一个边长为一米的立方体空间，我们可以把每一边都一分为二，得到八块空间，再对其中一块小空间用同样方法分割，并一直这样分下去。大家一定要注意，我们现在分割的是空间，而不是正方体的物质。那么需要思考的是，是不是可以永远这样分割下去？会不会有一个空间最小单位，到了这个最小单位就无法分割了。注意不是技术手段不行了，是空间本身已经不可分割了。

圈量子理论告诉我们，空间也是离散化的，也有一个不可分割的最小单位，而且推算出这个最小单位是10^-99立方厘米，也就是。有人肯定会问，它有实验验证吗？这个真没有。大家想想，以现在的条件，怎么可能去验证10^-99立方厘米这种尺寸？这就如同爱因斯坦当年推算出引力波一样，没有实验验证，而且当时也没法验证。

但空间量子化还是有一些间接证据。研究黑洞的学者发现：一个视界面积有限的黑洞只能包含有限的信息量，也就意味着每一个空间区域只能包含有限数目的信息，这与空间无限可分的观念难以调和。因为如果空间是连续的，意味着每一个有限区域都可以包含无穷多的信息；为什么？因为空间连续就意味着可无限分割，每一个小空间里都蕴含着无数小空间，那么有多少信息都不可能装满任何一个空间。

还记得在“黑洞与平行宇宙”那一章提到的超弦理论吗？那里也涉及空间的量子化，在此有必要重复一下。超弦理论认为万物皆弦，同样一根弦，这样振动就是电子，那样振动就是夸克，不同夸克弦勾连起来分别形成中子和质子。就连四大力也是弦，传播力的无非是光子、胶子、玻色子、引力子，也都是那根弦的不同振动而已。而且还信誓旦旦地说：引力子是一种封闭的弦。大家可以感觉到，这个引力子与引力波真没啥关系。顺便说一下，这个引力子从没有获得实验的验证。

但超弦理论也推导出：空间结构是离散的，而不是连续的！也就是说，空间不是无限可分的。

如此说来，超弦理论与圈量子理论殊途同归了，都认为空间不连续，也就是说空间具有一个最小的、不可分割的值，每一个最小的空间就是一个独立的单位。这就意味着，宏观空间是由一份一份的独立小空间拼接而成的。

超弦理论甚至推导出时间也是不连续的，是由一小段一小段拼接起来的。换句话说，时间也有最小单位，这样时间本身也可以被量子化。

如果，我是说如果，圈量子力学和超弦理论在这一点上是正确的话，也就是说时间和空间都可以量子化，时空当然就可以量子化。时空量子化意味着：四维时空是由一小块一小块四维超立方体拼接而成的。这个最小单位的四维超立方体一旦弯曲程度发生变换，说明有引力波传了过来，也可以理解为这个小立方体承载了引力子，因为它是引力波的最小单位，引力波的最小单位就成了引力子。每一小块超立方体弯曲程度的改变，马上会引起紧邻的超立方体弯曲程度的改变，这就是波的传播，或者说引力子从这个超立方体跑到了下一个超立方体，这就是引力子的传播。

听着好虚吧！是的，近代物理把一切都虚化了，虚才是宇宙的本质，而实是五官的幻想。虚虚实实，近代物理很好地阐释了这个中国成语。

如果以上理论都成立，那么引力波和引力子就等价了。但这还没有得到观测验证，所以现在说引力波和引力子是一回事还为时尚早。

为将引力波讲到本质、讲到精髓，笔者决定要打破硬骨头、要吃骨髓，让大家真正了解引力波。

我首先委托正在美国留学的一位学生帮忙查找了LIGO发表的论文（在此向他表示谢意），拿到论文时我很惊讶，打印出来竟然长达十六页。标题翻译出来是“针对双黑洞合并所引发的引力波的观测”，署名作者是B.P．Abbott，但后面带了个etal（等等，等人），下面注释写着“完整的作者名单列在文末”。我心里很纳闷，一边嘟囔着，一边将论文翻到最后。

原来密密麻麻的名单一共占了三页，估计有一千个作者，紧接着是两页半的合作单位名单。LIGO发现引力波真是个集体大工程，烧大钱啊！

再给大家翻译一下这篇论文的第一段：

“在1916年，也就是广义相对论引力场方程最终形成的次年，阿尔伯特·爱因斯坦预言了引力波的存在，他发现，线性化的弱场方程有波的解：是一种横波，以光速在传播……”就此打住，欲知精彩如何，且听下回分解。