明镜（马克斯·普朗克引力化学研究所）
胡一鸣（马克斯·普朗克引力化学研究所、清华学院）
1915年，爱因斯坦发表了场多项式，完善了广义相对论。一年以后，史瓦西发表了后来被拿来解释黑洞的爱因斯坦场等式的解。1963年，克尔给出了旋转黑洞的解。1974年脉冲双星+16的发觉否认了致密双星系统的引力幅射完全与广义相对论的预言一致。2016年2月11日，LSC（LIGO科学合作组织，）向全世界宣布：人类首次直接侦测到了引力波，而且首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。
在这一百年里，被誉为“人类认知自然最伟大的成就”的广义相对论，仍然在成长中：我们晓得了时空的弯曲以及一些由时空弯曲可能形成的奇特事物，例如黑洞、引力波、奇点、虫洞甚至时间机器。在过去历史中的个别时期，甚至现今，其中有些事物被不少化学学家视为大雨猛兽般的怪物，对它们是否存在提出过强烈的怀疑。就连爱因斯坦本人直至去世前都还在怀疑黑洞的存在。以前同样的黑洞怀疑论者惠勒，后来却成为了黑洞存在的支持者和宣传者。历史告诉我们，我们对时间、空间和时空弯曲所形成的事物的认知，会发生革命。引力波作为广义相对论的重要预言，直至在上个世纪60年代其实 物理学家探测引力波的尝试，其存在性也仍被不少化学学家指责过。在以后的漫长时光里，几代化学学家付出了无数努力，可这神秘的引力波却始终没有被发觉。
上海时间2015年9月14日17点50分45秒，激光干涉仪引力波天文台（以下简称LIGO）分别坐落加拿大路易斯安那州的利文斯顿（）和芝加哥州的汉福德（）的两个的侦测器，观测到了一次置信度高达5.1倍标准差的引力波风波：。按照LIGO的数据，该引力波风波发生于距离月球十几亿光年之外的一个遥远星体中。两个分别为36和29太阳质量的黑洞，并合为62太阳质量黑洞，双黑洞并合最后时刻所幅射的引力波的峰值硬度比整个可观测宇宙的电磁幅射硬度还要高十倍以上。详尽结果将在近期发表于化学评论快报（Phys.Rev.Lett.,116,）。这项非凡的发觉标志着天文学已然步入新的时代，人类自此打开了一扇观测宇宙的全新窗口。
LIGO汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,下图)侦测器所观测到的引力波风波。图中显示两个LIGO侦测器中都观测到的由该风波形成的引力波硬度怎样随时间和频度变化。两个图均显示了的频度在0.2秒的时间上面“横扫”35Hz到250Hz。先抵达L1，随即抵达H1，前后相差7微秒——该时间差与光或则引力波在两个侦测器之间传播的时间一致。（此图版权为LSC/所有）
1、什么是引力波？
广义相对论告诉我们：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，会形成引力波。在宇宙中，有时还会出现如致密星系碰撞并合这样非常剧烈的天体化学过程。过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空，扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去。因而引力波的本质就是时空曲率的波动，也可以凄美地称之为时空的“涟漪”。
下边这个动漫来自旧金山学院的S.Barke，显示了两个黑洞互相绕旋渐渐紧靠最后并合的全过程。过程中黑洞周围的时空被剧烈扰动，最后以引力波的方式传播出去。
引力波的硬度由无量纲量h表示。其数学意义是引力波造成的时空畸变与平直时空度规之比。h又被称为应变，它的定义可以用右图说明。
引力波竖直穿过由静止粒子组成的圆所在平面时，圆形状发生的变化。（图片来自美国爱因斯坦研究所。）
由上图可见，在引力波穿过圆所在平面的时侯，该圆会由于时空弯曲而发生畸变。圆内空间将随引力波的频度会在一个方向上被拉伸，在与其垂直的方向相应地被压缩。为了易于解释引力波的数学效应，图中所显示的应变h大概是0.5，这个数值远远小于引力波的实际硬度。哪怕是很强的天体化学引力波源所释放的引力波硬度，抵达月球时也只有10-21。这个硬度的引力波在整个月球那么大的尺度上形成的空间畸变不超过10-14米，正好比质子大10倍。
2、引力波是如何被发觉的？
在过去的六六年里，有许多化学学家和天文学家为证明引力波的存在作出了无数努力。其中最知名的要数引力波存在的间接实验证据——脉冲双星+16。1974年，印度数学学家家泰勒（）和赫尔斯（）借助射电望远镜，发觉了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的互相旋绕的双星系统。因为两颗中子星的其中一颗是脉冲星，借助它的精确的周期性射电脉冲讯号，我们可以无比精准地晓得两颗致密星系在绕其形心公转时她们轨道的半长轴以及周期。按照广义相对论，当两个致密星系近距离彼此绕旋时，该体系会形成引力幅射。辐射出的引力波带走能量，所以系统总能量会越来越少，轨道直径和周期也会变短。
泰勒和他的同行在以后的30年时间上面对+16做了持续观测，观测结果精确地按广义相对论所预测的那样：周期变化率为每年降低76.5毫秒，半长轴每年减短3.5米。广义相对论甚至还可以预言这个双星系统将在3亿年后合并。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据，是对广义相对论引力理论的一项重要验证。泰勒和赫尔斯因而入选1993年诺贝尔化学学奖。
+16转动周期累积联通观测值与广义相对论预言值的比较。图中红色曲线为广义相对论的预测值，红点为观测值。二者偏差大于0.2%，此发觉给引力波科学注入了一针强心剂。
在实验方面，第一个对直接侦测引力波作伟大尝试的人是韦伯（）。早在上个世纪50年代，他第一个饱含远见地认识到，侦测引力波并不是没有可能。从1957年到1959年，韦伯全身心投入在引力波侦测方案的设计中。最终，韦伯选择了一根长2米，外径0.5米，重约1吨的圆锥形铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。该类型侦测器，被业内称为共振棒侦测器（如右图）：
韦伯和他设计的共振棒侦测器。引力波驱动铝棒两端震动，因而挤压表面的晶圆，形成可测的电流。图片来自：德克萨斯学院。
当引力波到来时，会交错挤压和拉伸铝棒两端，当引力波频度和铝棒设计频度一致时，铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶圆会形成相应的电流讯号。共振棒侦测器有很显著的局限性，例如它的共振频度是确定的，尽管我们可以通过改变共振棒的宽度来调整共振频度。并且对于同一个侦测器，只能侦测其对应频度的引力波讯号，假如引力波讯号的频度不一致，那该侦测器就无能为力。据悉，共振棒侦测器还有一个严重的局限性：引力波会形成时空畸变，侦测器做的越长，引力波在该宽度上的作用形成的变化量越大。韦伯的共振帮侦测器只有2米，硬度为10-21的引力波在这个宽度上的应变量(2×10-21米)实在太小，对上世纪五六十年代的数学学家来说，侦测这么之小的宽度变化是几乎不可能的。其实共振棒侦测器没能最后找到引力波，可是韦伯开创了引力波实验科学的先河，在他以后，好多年青且富于才气的化学学家涉足于引力波实验科学中。
在韦伯设计建造共振棒的同时期，有部份化学学家认识到了共振棒的局限性，有一种基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波侦测方案在哪个时代被提出。到了70年代，麻省理工大学的韦斯（）以及黎巴嫩布休斯实验室的佛瓦德（），分别建造了引力波激光干涉仪。到了70年代后期，这种干涉仪已经成为共振棒侦测器的重要取代者。
引力波激光干涉仪的工作原理
上图可以描述引力波激光干涉仪的基本思想。可以简单理解为有四个测试质量被悬挂在天花板上，一束单色、频率稳定的激光从激光器发出，在分光镜上被分为硬度相等的两束，一束经分光镜反射步入干涉仪的X臂，另一束透过分光镜步入与其垂直的另一Y臂。经过末端测试质量反射，两束光返回，并在分光镜上重新相遇，形成干涉。我们可以通过调整X、Y臂的宽度，控制两束光是相消的，此岁月子侦测器上没有光讯号。当有引力波从垂直于天花板的方向步入以后，会对手臂中的一臂拉伸，另一臂压缩，因而两束光的光程差发生了变化，原来相干相消的条件被破坏，探测器端的光强都会有变化，借此得到引力波讯号。激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见：首先，激光干涉仪可以侦测一定频度范围的引力波讯号；其次，激光干涉仪的臂长可以做的很长，例如地面引力波干涉仪的臂长通常在千米的量级，远远超过共振棒。
自20世纪90年代起，在世界各地，一些小型激光干涉仪引力波侦测器开始设立，引力波侦测黄金时代就此拉开了帷幕。
这种引力波侦测器包括：坐落加拿大路易斯安那州利文斯顿臂长为4千米的LIGO（L1）；坐落加拿大渥太华州汉福德臂长为的4千米的LIGO（H1）；坐落加拿大汉堡附近，臂长为3千米的VIRGO；日本法兰克福臂长为600米的GEO，台湾东京国家天文台臂长为300米的。这种侦测器在2002年至2011年期间共同进行观测，但并未侦测到引力波。在经历重大改建升级以后，两个高新LIGO侦测器于2015年开始作为灵敏度急剧提高的高新侦测器网路中的先行者进行观测，而高新VIRGO也将于2016年年末开始运行。据悉，法国的空间引力波项目eLISA和美国的地下干涉仪KAGRA的研制与建设也在紧锣密鼓地进行。
想要成功侦测例如的引力波风波，除了须要这种侦测器具有惊人的侦测灵敏度，还须要将真正来自于引力波源的讯号与仪器噪音分离：比如由环境诱因或则仪器本身造成的微扰，就会搅乱或则轻易吞没我们所要找寻的讯号。这也是为何须要建造多个侦测器的主要诱因。它们帮助我们分辨引力波和仪器环境噪音，只有真正的引力波讯号会出现在两个或则两个以上的侦测器中。其实考虑到引力波在两个侦测器之间传播的时间，前后出现会相隔几个纳秒。
上图（来自/）是坐落加拿大路易斯安那州利文斯顿附近，臂长4千米的激光干涉仪引力波侦测器（L1）。右图为高新LIGO的灵敏度曲线:图中X轴是频度，Y轴是频度对应的噪音曲线，仪器噪音越低，侦测器对引力波的灵敏度越高。可见高新LIGO的最佳灵敏度在100-300Hz之间。
经过4年不断升级和测试的高新LIGO总算在2015年9月初试锋芒。事实上，好多人都对2015年的第一次观测运行（O1）能够侦测到讯号抱有怀疑心态，由于它的灵敏度还远远没到最佳状态。但是，宇宙常常在不经意间给人以惊喜。甚至在O1没有即将启动时，就早已不期而遇了*。庆幸的是，O1采用的是软启动，所以在讯号抵达月球时，侦测器早已处于工作状态了，采集到的数据也是可靠的。
3、事件究竟是哪些？
在2015年9月14日上海时间17点50分45秒，LIGO坐落加拿大利文斯顿与汉福德的两台侦测器同时观测到了讯号。这个讯号首先由低延后搜索方式来辨识（这些搜索方式并不关心精确的引力波波形，它通过找寻可能为引力波的个别特点征兆来较快速地找寻引力波），在仅仅三分钟以后，低延后搜索技巧就将此作为引力波的候选风波汇报了出来。以后LIGO干涉仪获得的引力波应变数据又被LSC的数据剖析专家们用来和一个海量的由理论估算形成的波形库中的波形相对照，这个过程是为了找到和原数据最匹配的波形，也就是一般所说的匹配混频器法。图7展示了进一步数据剖析后的主要结果，否认了是两个黑洞并合的风波。
通过比较引力波应变数据（以在汉福德的H1侦测器所接收的应变为例）和由广义相对论估算得出的在旋进（）、合并()、铃宕（）三个过程的最佳匹配波形，得出的关于的一些关键推论。图片下方展示了两个黑洞的宽度和相对速率随时间演进的过程，它们的速率在不到0.2秒的时间内达到了0.6倍光速。（此图版权为LSC/所有）
后续跟进的数据剖析结果还显示，是一个36倍太阳质量的黑洞和一个29倍太阳质量黑洞并合风波，在并合后形成了一个62倍太阳质量带载流子的kerr黑洞。这一切发生于距离我们十几亿光年以外的地方。LIGO侦测器真实地侦测到了好久曾经发生于某个遥远星体的一个大风波！
将并合前的两个黑洞和最终形成的黑洞相比较，可以发觉此次并合将大概3倍太阳质量（大概600万亿亿亿（~6×1030）公斤）转换成了引力波能量，其中绝大部份在不到1秒的时间里释放了出去。相比之下，太阳在1秒内发出的能量大概只相当于是四十亿（～4×109）公斤物质转换成的电磁幅射。实际上，令人惊奇的是，放出的峰值功率要比可观测宇宙中所有星体的光度总和还高10倍以上！正是由于致密双星系统在并合前的最后阶段才会释放达到峰值功率的引力波，所以之前提到的还有3亿年才会并合的+16双星因为正在释放的引力波硬度还太弱，因而很难被侦测到。
以上数据还表明，这两个黑洞在并合前的间隔只有数百公里，引力波的频度在此时大概达到了150Hz。由于足够致密，黑洞是惟一已知在这么近的距离都不会碰撞融合的物体。由并合前总质量可知，双中子星的总质量远高于此，而假如是一对黑洞和中子星组成的双星的话，要形成这样的波形，它们必将会在远高于150Hz的时侯就已经开始并合了。因而，确凿无误是一次双黑洞的并合风波。
新的时代
爱因斯坦的广义相对论自从100年前提出以来，历经了重重考验，从对水星近期点进动的解释，到1919年爱丁顿对日食时太阳附近光线偏折的研究，再到对引力红移的验证，每一次检验，相对论都从容应对。而这一次引力波的侦测，更是有力地支持了相对论在强引力场下的正确性。至此，广义相对论的所有主要预言被一一验证，而这一个传奇的理论在经历了一个世纪的风雨后历久弥新。
有这么一个时代，人们以为化学学的大楼早已完整地构建，后世的化学学家只须要修修复补，把个别常数测得更精确一些。作出这个预言以后没多久，开尔文就与世长辞，遗憾无法见证他当初预言的“物理学天空的两朵乌云”把看似结实的化学学大楼连根拔起，在瓦砾上矗立起新两座的高楼：相对论和量子热学。
现今，虽然又到了化学学突破山穷水尽的时刻，又是一个小辈只能修修复补的年代，对于一个化学学家而言，生于这个时代虽然是不幸的。而且，引力波的发觉，又打开了一扇希望的房门。广义相对论和量子热学存在着根本性的矛盾，仍然是现代数学学天际线上的一朵乌云。而极大质量和极小尺度的黑洞，是研究这一乌云最佳的着手点。引力波是惟一能深入探究黑洞的研究手段，作为化学学家，生于这个时代又是何其的辛运！所以说，引力波的侦测，远远超出了检验广义相对论本身的意义。
2015年9月14日引力波的发觉是科学史上的里程碑。这一非凡的成就，汇聚了太多化学学家的心血，也是多少人魂牵梦萦的所在。我们有幸生在这个时代，见证数学学历史的重大进程。对于我们这种亲身参与其中的科研工作者而言，更是倍感无比荣幸。其实我国目前在引力波领域的研究力量稍显薄弱，少有专门的研究团队，并且在LIGO科学合作组织中也活跃着不少中国人的身影，包括台湾地区LIGO科学合作组织的惟一成员单位复旦学院，借助GPU加速引力波暴数据剖析和实现低延后实时致密双星并合讯号的搜救；采用机器学习方式强化引力波数据噪音的剖析；剖析引力波风波明显性的系统偏差等。据悉北大还参与建立引力波数据估算基础平台，开发的数据剖析软件工具为LSC成员广泛使用。我们非常谢谢对本文有帮助的几位LSC年青同行们：佐治亚理工的张渊皞，澳洲学院的王龑、朱兴江和储琪，澳大利亚学院的孙翎，伦敦学院的王梦瑶，格兰萨索研究所的王刚等等。
在文章最后其实 物理学家探测引力波的尝试，列举LSC内部几位科学家包括我们自己对本风波的评价来结束此文。
4、发现引力波意味着哪些？
“爱因斯坦曾经觉得引力波太过微弱而难以侦测，而且他未曾相信过黑洞的存在。不过，我想他并不介意自己在这种问题上写错了。”——马克斯·普朗克引力化学研究所（阿尔伯特·爱因斯坦研究所）主任艾伦（）
“通过这项发觉，我们人类开启了一场波澜壮丽的新旅程：一场对于探求宇宙那弯曲的一面（从弯曲时空而形成的事物和现象）的旅程。黑洞的碰撞和引力波的观测正是这个旅程中第一个完美的范例。”——索恩()
“引力波的直接侦测实现了50年前就设定好了的伟大目标：直接侦测无法捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在爱因斯坦广义相对论100华诞之际完美地续写爱因斯坦的传奇。”——加州理工大学，LIGO天文台的执行官莱兹（.）
“这项侦测是一个是时代的开始：引力波天文学研究领域如今总算不再是纸上谈兵。”——LSC发言人，路易斯安那州立学院化学与天文学院士冈萨雷斯(ález)
“在《星际穿越》和《三体》中，都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通信手段，这或许只能是美好的幻想，但对于天文研究而言，引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风，就带来了一个重大的信息：极重的星体级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间（10亿年）内并合。这是让我们始料未及的。谁能晓得在将来的更多的侦测中，LIGO和一众引力波侦测器能带给我们哪些样的惊喜呢？”——马克斯·普朗克引力化学研究所、清华学院博士后，胡一鸣
“不少亲朋好友问过我，你在研究些哪些。我都如此回答：我们在找另一种光，一旦找到，意味着人类自此有了第六感，如同有了超能力，用一双天眼俯瞰神秘宇宙中无尽的奥妙。如今，我们，找到了！”——马克斯·普朗克引力化学研究所博士生，明镜