全球多国科学家16日同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件，标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。
那么，什么是引力波？
引力波百年间的发现与检测
早年间，爱因斯坦还在鼓捣相对论的时候，就隐隐约约地感觉到会有引力波的存在。为什么呢？因为爱因斯坦认为，这个宇宙当中，没什么信号传播速度能超光速。那么引力呢？引力的传播要不要时间呢？牛顿的体系里引力的传播是立刻到达，不需要传播时间的，或者说，牛顿发现了引力与质量和距离有关，具体关系可以用万有引力来算，但是引力是如何传递的，牛顿没工夫搭理。爱因斯坦认为：引力传播是不可能超越光速的，必定需要时间，那么显然就会以波的形式向外扩散，这就是引力波。
爱因斯坦虽然算出了引力波公式，但是大部分时间都是被束之高阁的，因为引力波根本没有办法来检测，一般的天文事件发出的引力波微乎其微。
要想检测引力波，那有两个条件：首先是频率不能太低，像木星这样的转一圈需要十二年，恐怕没人耗得起。年纪轻轻的研究生投身引力波观测事业，仅仅测几个周期就已经到了退休年龄，这恐怕不行。还有一条就是强度大，微弱的引力波动很难检测到，能符合这个条件的，只有中子星和黑洞了，也就是高密度天体。大质量恒星塌缩成中子星或者黑洞的时候，发出的引力波微乎其微，完美对称的过程都不会产生引力波。要产生引力波，就要靠不对称的东西，两个天体相互围绕旋转是个不错的选择。
实际去探测引力波，第一个吃螃蟹的人是韦伯（图 20 - 1）。他搞了个铝制的大圆柱，圆柱上布满了感受应力的晶体。引力波是个横波，那么这个圆柱在引力波的扭曲下，会产生变形，晶体就能收集到这种信号。但是引力波非常微弱，而且引力波很难变成其他能量。相比之下，电磁波就很容易变成其他能量，很容易探测，电磁波也比引力波强得多，强度大了几十个数量级，因此韦伯探测引力波的难度非常大，热噪音就足以淹没微弱的信号。
而且引力波探测器仅有一个肯定不行，那样的话没有办法排除外界的风吹草动，走路的脚步振动、机器振动等都会引发虚假信号。韦伯用了两个实验装置，突然有一天他发现接收到了神秘的信号，他大喜过望，可是这种信号后来再也没出现过。孤证不立，这不算数，别人也无法重复他的发现，起码要几次重复才算能确认的确是有效的信号。
到了二十世纪七十年代，可算有了一点进展：脉冲星被发现了。这个脉冲星就是传说中的中子星，脉冲星密度极高，后来又发现了脉冲双星，两颗高密度的中子星，相互围着旋转，速度非常快，它们辐射出来的引力波非常强。
我们的宇宙里有个基本的法则：“出来混，总要还的”，能量守恒总要遵守，一部分能量随着引力波辐射出去了，那么脉冲双星的总能量就要降低，轨道就会变小，相互就会越靠越近，直到最后撞在一起。
1974 年美国科学家泰勒和赫尔斯利用引力波的公式计算了一下能量的损失状况，两颗星每年相互靠近三点五米，轨道半径逐渐变小，周期将会变慢 76.5 微秒。他们两位花了三十年时间，仔细观测了这一对双星，发现观测结果跟引力波的计算是完全相符的（图 20 - 2），这是关于引力波的第一个靠谱的观测证据，是个间接证据。1993年，泰勒和赫尔斯获得了诺贝尔奖，以奖励他们对脉冲双星的研究。人家“炸药奖”委员会只字不提引力波，因为引力波还没被直接观测到。
引力探测项目的诞生
接下来我们不得不再一次提到基普·索恩，这个计算出可穿越虫洞的家伙在引力波的探测方面也扮演了重要的角色。二十世纪七十年代，索恩是加州理工最年轻的物理学教授，和老师惠勒以及米斯纳一起写了《引力论》，这本书后来被誉为“引力圣经”。
就在那个年代，索恩碰上了麻省理工的赖纳·韦斯，他提供了一个想法，就是利用激光干涉仪来探测引力波。两个人一拍即合，立马开始去四处去忽悠人忽悠钱，没钱那是万万不能的。
索恩说服了加州理工掏钱支持引力波探测项目，后来又把美国国家科学基金会也拉了进来。二十世纪九十年代的时候，引力波探测项目还是科学基金会资助的最大的一个项目。仅仅有了钱不行啊，还要招揽人才。大门向全世界开放，各国都有科学家参与，现在“激光干涉引力波天文台（LIGO）”已经发展到了几千名员工，大批科学家参与其中。索恩也很擅长向公众普及科学知识，因为现代的大型科学项目离不开普通老百姓的支持，假如没有深厚的群众基础，投资人也就没那么热心，不管是大学还是国家机构，掏钱的时候都没有那么大方。
索恩深谙此道，他写的科普书也很畅销，总是能够深入浅出地讲明科学道理。退休以后，索恩仍然不闲着，还担任了大片《星际穿越》的科学顾问，成了好莱坞的“非著名演员”。老头当年也很乐观，他预计 1980 年就能探测到引力波，但是迎来的是一次又一次的失望。在有生之年能不能看到引力波被探测到，谁也没有这个把握。
这两套 LIGO 干涉仪在一起工作构成一个观测所，这是因为激光强度的微小变化、微弱地震和其他干扰都可能看起来像引力波信号，如果是此类干扰信号，只会记录在一台干涉仪上，另外一台不会受影响。而真正的引力波信号则会被两台干涉仪同时记录。所以，科学家可以对两个地点所记录的数据进行比较得知哪些信号是噪声，还可以利用两台干涉仪的数据来推断信号来自何处，这也算是一种甚长基线干涉测量。
引力波探测器的重大发现
LIGO 从 2003 年开始收集数据，它是目前全世界最大的、灵敏度最高的引力波探测器，光束要在管道里面来回反射四百次， 4 千米的长度等于变成了 1600 千米。LIGO 工作了一段时间，一无所获，因为灵敏度还是不够高，后来大家又花了好几年来升级设备。
然后，刚一开机，还在调试阶段，就“Duang”的一声来了个强信号。经过简单的滤波，大家肉眼都看得出来，这是个明显的震荡信号，引力波信号来袭的时候，会不断拉伸扭曲激光的光路，这样光路就会不断变长变短，哪怕变化仅有一个质子直径的千分之一，也会被察觉到。果然这运气不是一般的好啊！
2015 年 9 月 14 日北京时间 17 点 50 分 45 秒，LIGO 位于美国利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了GW150914 信号（图 20 - 4）。从信号波形来看，它俩越转越激烈，最后“Duang”地撞到一起，合并成为一个更大的黑洞。开始黑洞还不太圆，估计像个花生的形状，只要旋转的物体不圆，就会辐射出引力波，这个痕迹在干涉仪接收到的波形上能看出来。
随着引力波不断地辐射出去，黑洞也变成了完美的对称形状。这时候，引力波消失了，一个完全对称的旋转黑洞是不会有引力波辐射的，原本两个黑洞所携带的角动量也合并了。角动量是守恒的，即便是合并了，角动量也不会消失。只用了零点二秒的时间，一个三十六倍太阳质量的黑洞和二十九倍太阳质量的黑洞，就这么合二为一了。
瞬间辐射出的引力波包含的能量就相当于三个太阳质量，瞬间辐射功率超过了我们看得见的满天繁星的总发光功率。合并前他们速度达到了光速的零点六倍，这对宏观天体来讲，那是相当厉害了。
此刻，科学界对引力波给予高度的评价！还是要说爱因斯坦他老人家英明神武，总有神来之笔，也要庆幸多亏了罗伯逊及时点破，避免了老爱晚年再犯一个错误。索恩老爷子可算是喜上眉梢了，引力波的发现可以说是达到诺贝尔奖级别的重大成果。
2016 年 6 月 15 日，在圣迭戈美国天文学会第 228 届年会上，LIGO 科学家宣布第二次探测到了引力波事件。经过几个月的数据处理与确认，2015 年 12 月26日 LIGO 和 VIRGO 合作组织的科学家收到了一份圣诞大礼：又听到了一声“Duang”，来源还是黑洞的合并。
一个八倍太阳质量的黑洞和另外一个十四倍太阳质量的伙伴合并了，产生了一个二十一倍太阳质量的黑洞，剩下的能量伴随引力波辐射了出去。由于这两个家伙比上次发现的要小，因此“二人转”的时间也更长，科学家们可以好好地欣赏一下它们的表演。
世界各地争相观测引力波
LIGO 的成功，别人都眼馋，欧洲各国都在搞引力波探测计划，日本也不甘落后。英德两国搞了个 GEO600 探测器，干涉臂长六百米；法国与意大利联合搞了个 VIRGO 探测器，臂长 3 千米；日本先前有个 TAMA300 探测器，臂长仅仅三百米，显然是拿不出手，后来他们也开始建造大型的 KaGRA 引力波探测器，如今已经进入调试阶段。LIGO 和印度合作，还想在印度开一家“分号”，把一部分设备搬到印度去，搞一个 LIGO-India 的引力波观测站。
地面上这种几千米长的干涉臂对于 100 赫兹的信号最敏感，因此观察黑洞合并特别擅长。要观测慢速绕转的致密双星就不赚便宜了，因为频率太低，需要很长的干涉臂，还要放到太空里去搞。
于是欧美搞了个 LISA 计划，想放到拉格朗日点上进行探测，在那里可以安安静静地探测引力波。无奈地主家也没有余粮，最后搞了个缩水版的 eLISA 计划。
我国最近开始关注大科学工程，引力波又是热门话题，所以我国也开始搞引力波探测项目，例如天琴计划。太空里的探测器和地面上的探测频段不一样，太空里面探测 0.01 赫兹到 0.0001 赫兹的频段比较合适，也就是双中子星绕行的频段，天琴计划就是针对这个频段的。天地之间的探测器是互补合作的关系，将来全球的探测器组网，对于精确的定位也有好处。现在定位很粗略，只能大约判断一条狭长的带，具体位置还是不太清楚。
要说引力波在科学上的意义，首先是爱因斯坦预言的引力波总算被发现了，更进一步证明了广义相对论的正确性。其次，黑洞直接向我们述说了当时所发生的一切，这一次我们听到了，我们并没有靠电磁波，靠的是时空的涟漪 — 引力波，这是一场天文观测的革命。
文章 摘自吴京平《柔软的宇宙：相对论外传》
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