量子通讯速度 喵星人可能早就发展出了引力波探测技术，否则为什么每次我刚想倒(3)

这样的例子包括，水星近日点进动、光在经过太阳时的偏折、不同高度钟表的走时差别等等。最后这个效应对于GPS、北斗等卫星导航系统非常重要，如果不考虑原子钟在地面和在卫星上的时间差，定位就会差之毫厘谬以千里。

在广义相对论中，我们对引力的描述方式变得比牛顿的平方反比律复杂多了，成了绕一个很大的弯子：质量引起时空的弯曲，物体在弯曲的时空中运动，看起来就像是受到引力的作用一样。

这话是什么意思？

我们看一张平坦的纸，它的曲率是零。在这张纸上面，三角形的内角和等于180度，圆的周长等于2π乘以半径，如此等等，欧几里得几何（就是你初中学的平面几何）的定理都成立。

如果把这张纸变形一下，比如说变成一个球面，曲率大于零，许多欧几里得几何的定理在这里就不成立了。例如，三角形的内角和大于180度（你甚至可以做出三个内角都是直角的球面三角形，它的内角和高达270度），圆的周长小于2π乘以半径。

球面三角形

如果把这张纸变成马鞍形，曲率小于零，你同样也会发现许多违反欧几里得几何的现象，只是表现在相反的方向。例如，三角形的内角和小于180度，圆的周长大于2π乘以半径。

马鞍面上的三角形

当我们把弯曲的对象从一张纸（一个二维的面）推广到相对论的时空（一个四维的几何结构），就明白“时空弯曲”是什么意思了，就是时空的每一点都可以有个或正或负或零的曲率。广义相对论给出了质量与附近的时空曲率之间的关系，质量越大，对周围的时空产生的弯曲就越大。

当一个物体不受其他力、只在引力的作用下运动时，无论时空是弯曲的还是平坦的，它都只是按照距离最短的路线即“短程线”运动。如果时空是平坦的，短程线就是直线，这时没有引力，它做的就是匀速直线运动。如果时空是弯折的，短程线就变成了曲线。这时在其他观察者看来，这个物体似乎就是在引力的作用下运动。例如地球绕太阳的公转轨道，就是地球在太阳周围的弯曲时空中的短程线。

太阳导致的时空弯曲，使地球的短程线变成曲线（虚线是直线，实线是实际走的路线，即短程线）

用一个常用的比喻来说：太阳好比一个大胖子，他往沙发上一坐，就产生一个大坑，其他人坐在沙发上时，都会不由自主地被这个大坑陷进去！

太阳导致时空弯曲

现在你可以明白，在广义相对论中，不同地方的时空可以具有不同的曲率，所以说时空有了结构。既然有了结构，自然就可以波动了。实际上，根据广义相对论，引力波应该是一种极其常见的现象，任何不是球对称的物体的加速运动都会产生引力波。

任何非球对称物体的加速运动都会产生引力波

咦，既然引力波这么常见，我们为什么花了这么久才探测到它？

原因在于，引力波的可观测效应非常小。

引力波的实际效果，是使时空在某一个方向压缩，在另一个垂直的方向伸长。在武侠电影中，经常有一拳打出造成时空波动的形象，对，就是这个feel！

霸王拳！（《三国演义》动画2017版，第一季第一集）

更具体地说，引力波在距离为L的两点之间产生的变形，等于L乘以一个常数h。实验上真正要测量的目标，就是这个比例常数h。

但是这个比例常数小得惊人。对于两个黑洞合并、把三个太阳质量的能量转化为引力波这样暴烈的事件（这就是2015年9月14日探测到的引力波事件），h也只有10的-21次方的量级！

LIGO的光路长度是4公里。在这个距离上，变形只有10的-18次方米的量级。一个原子的半径，都大约有10的-10次方米。一个原子核的半径，大约是10的-15次米。想想看，在几公里的长度上，只差一个原子核半径的千分之一，这是什么样的难度！这种实验是不是堪称疯狂！

引力波测量的挑战

这正是人类花了100年才探测到引力波的原因。但最神奇的是，我们终究还是做到了！