1915年，爱因斯坦提出了广义相对论。简单来说，广义相对论描述了时空弯曲如何受物质质量决定，物质的运动如何受时空弯曲影响。它革新了人类对时空本质的经验认识。尽管后续多次天文观测为它提供了有力的证明，科学家们还希望有更直接的证明——广义相对论预言的时空波动“引力波”能否直接被探测到呢？

引力波是广义相对论的一个理论预言：1916年，爱因斯坦想，既然物质的质量会引起时空弯曲，那如果该物体还在加速运动呢？更确切来说，在非球对称的物质分布情况下，物质运动，或物质体系的质量分布发生变化时，会怎样呢？时空弯曲的程度就会发生变化，表现为以光速向外传播的时空涟漪。

国家天文台的李然副研究员引用了Kip Thorne在《星际穿越中的天文学》一书中的“拉伸线”来描述引力波的产生，文文觉得甚是直观。

不管是单黑洞还是双黑洞，其周围的空间有些地方受到拉伸，有些地方受到挤压。Kip Thorne用拉伸线（如图中的红线）和挤压线（如图中的蓝线）来表示空间受到的影响，如果一个人躺在拉伸线上，将感觉到自己身体被拉伸，而躺在挤压线上，将感觉到自己身体受到的挤压。如果一对双黑洞相互绕转，它们将拖拽着周围的拉伸线和挤压线转动，形成一个由拉伸线和挤压线所结成的网络，这个网络将随着时间而扩张开来，就形成了引力波。引力波就相当于弯曲时空的传播。

双黑洞并合后拉伸线和挤压线所描述的空间受影响的效果

 

试想，我们的地球为什么围着太阳转？牛顿力学说，太阳与地球之间存在万有引力，万有引力使得地球绕着太阳旋转。爱因斯坦的广义相对论说，太阳的质量使得其周围空间发生弯曲，而地球围着它转动是地球最直接的运动路径。如果有来自超体的生物将太阳突然拿去，牛顿力学认为，万有引力消失，地球将被甩出去；而广义相对论认为，地球不会立即被甩出去，因为太阳被拿出去后，空间被弯曲的程度发生变化，这种变化将会以速度为光速的引力波方式，约8分钟才会影响到地球所处位置。

 

引力波的四种频率

首先，频率最低的引力波当属原初引力波。由于原初引力波源于宇宙诞生之初产生的时空涟漪，波长（波峰与波峰之间的长度）相当于宇宙的尺度，对应的频率也就很低。所以只能通过对宇宙大爆炸后遗留的光子场信号（宇宙微波背景辐射）来寻找原始引力波的信号。“阿里实验计划”的目标便是探测原初引力波。

其次是频率在百万分之一到亿分之一赫兹的引力波，引力波源可能是超大质量黑洞的并合。探测手段通常是利用宇宙中的“钟”，将单个脉冲星当成是一个精准的时钟，我们可以期待着它们安安稳稳地定期发出脉冲，可是如果脉冲星的脉冲在向我们传播的过程中，遭遇到引力波的干扰，那么脉冲滴答滴答的信号就会偏离你期待中的理想信号。利用毫秒脉冲星作为校准光源，再基于地面上的大型地面射电望远镜作为探测器来观测大质量黑洞并合时发出的引力波。 

再次是十万分之一到几赫兹，引力波源可能是质量更小一些的大质量黑洞并合过程的后期，银河系内的白矮双星等。探测的手段是宇宙卫星阵列，例如欧洲的光学干涉空间阵列（LISA）、中国的“天琴计划”、“太极计划”。

最后是几十到几千赫兹，引力波源可能是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统、超新星爆炸等。探测手段是地面上的激光干涉引力波探测方式，例如这次立功的LIGO。

探测高频和低频的引力波，各有什么优势呢？中山大学校长、中国科学院院士罗俊接受新华社、南都采访时说，“低频与高频的区别就是大家看到宇宙不同的物理现象和物理进程。不同的频段是不同的窗口，不同的频段没有先进落后之分，就如同你推开不同的窗看到不同的风景，不同频段的引力波探测将看到不同的天文事件。低频引力波反映出来的东西更多元更丰富。高频引力波则大多是宇宙中更极端的事件。而高频引力波是大质量的天体非常剧烈运动才能产生，通常只有中子星或黑洞等天体相撞。然而，宇宙中更多的天文事件不是这种极端事件。往往是两个星相隔较远绕行，持续长时间运动。当然，LIGO的引力波探测发现是人类第一次直接观测到引力波，意义非常重大。”

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