文/明鏡（知乎ID：diracmj）
前言：現在是德國時間2016年2月11日晚上8點。我剛剛結束我們所（AEI）的記者招待會回到家。正如我在評論區所說，當LIGO的主任David在華盛頓會場上來就宣布：「Yes! We did it!」的時候，AEI會場不少同事留下了眼淚，其中包括我們所長：
答主堂堂男子漢很少哭，當時心中忽然暖流湧動，但還是強忍住沒哭。那是一種強烈的感動，感動到想哭的感覺。整個新聞發布會上，我一直強忍著。發布會結束我們喝香檳，相互祝賀，我還很賤兮兮的問了幾個同事哭了沒有，然後很自豪地說自己沒流淚。剛剛回到家門口，拿鑰匙開門的時候，那種感覺又來了，特別強烈，我哆嗦地打開門，衝進臥室，我再也沒忍住，嚎啕大哭了幾分鐘。
在知乎看到這個問題後除了吃驚之外有點開心，想不到國內公眾對「引力波」這個很小眾的方向也有關注，作為少數幾個引力波研究「圈子」裡的華人之一，我很想回答一下這個問題，希望藉此可以讓更多地人了解這個方向。之前我很多次給身邊的對這個問題感興趣的親友解釋過「我們做的是什麼」，所以我能夠用通俗、非專業的詞彙描述，結合自己的體會給大家講下，引力波這個學科的發展歷史、物理意義、研究現狀等等方面。由於純手打哦，可能要分幾次寫才可以寫完，希望大家支持。
這裡說下本文預想的框架：第一節：什麼是引力波。第二節：引力波的意義。第三節：為什麼探測引力波這麼困難。第四節：引力波科學發展歷史。第五節：未完待續。
1 什麼是引力波？
1915年，愛因斯坦的廣義相對論提出之後，這個描述「時空和物質」理論在很多地方受到實驗檢驗。人們在確鑿的實驗證據下，一次又一次的被這個偉大理論的深刻與正確而震驚。這好比是這樣一種感受：「啊~你們說這個世界和這個宇宙這這樣的那樣的，太不可思議了吧！和我體會到的感覺完全不一樣啊！你們肯定瞎扯，我根本不信！」然後廣義相對論在各個方面被實驗證實，人們的感受慢慢地開始改變，慢慢接受這個事實：我們這個世界和我們本來認為的不一樣。人們也漸漸體會到原來這個世界比我們本來以為的地深刻的多。
廣義相對論的正確性已經毋庸置疑，但是作為廣義相對論的一個重要預言——引力波，卻遲遲沒有發現。把廣義相對論作為人類科學聖經的科學家們上火了，他們堅信，引力波是一定存在的，為了探測到這個引力波，幾代科學家們做出了很多嘗試和努力（這個具體我們後面章節再說）。那麼這個神秘的引力波，到底是啥玩意呢？？？！！！！
用最簡單的一句話來描述，引力波是「時空的漣漪」。聽起來好玄乎啊，什麼是「時空的漣漪」？容我慢慢道來：
相信有不少同學對廣義相對論不是很了解。來，不慌~這裡你花幾分鐘就可以「學會」廣義相對論，然後有了理論的武裝，你就可以輕鬆理解本文裡的很多事情啦。
要理解廣義相對論，你只需要知道兩句話，第一句相信大家都聽說過：
1空間三維+時間一維，這樣時空就是四維。時空就是時間加空間，是一個整體。
比如：你就處在一個時空裡。因為，此時此刻（時間），你一定在某個地方（空間）讀這句話。
同樣，人們的宇宙也是時間加空間，所以宇宙就是四維時空。
第二句話就厲害了啊！大家看到後就知道廣義相對論講得是什麼了！
時空告訴物質如何運動；物質告訴時空如何彎曲
spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve
恩，很簡單吧，廣義相對論就是具體說了時空是告訴物質怎麼運動~以及~物質是讓時空怎麼彎曲的這麼一個理論。這樣也隱含了這麼個意思：物質（有質量的東西，可能是能量，因為能量也有質量）如何在它的時空裡運動，取決於它所處的時空性質。另一方面，只要有物質存在的時空，就會彎曲。彎曲程度、怎麼彎曲，取決於它肚子裡的物質質量大小以及分布。
看，其實不用管那些煩人的數學公式，我們也可以從根本上理解這門「深刻」的理論對嗎？好的，大家既然已經理解相對論了，那現在就可很輕鬆地理解引力波了。
先看一個圖：
兩個黑黑的就是黑洞，黑洞是質量很大很大的天體。由於質量很大很大，根據「物質告訴時空如何彎曲」，他周圍的時空會一定彎曲得很厲害是。時空不彎曲的時候就像一汪平靜的湖水，你在上面輕輕放上一個皮球，皮球下面的水面是一個弧形的吧，這就和黑洞存在、附近時空彎曲一個道理。光有一個皮球停在水面上，水面還是很平靜。但是如果有兩個皮球像圖中兩個黑洞那樣彼此環繞運動著，那就不得了啊，水平會泛起陣陣漣漪。
同志們！水面是時空的話，那水波就是引力波！不要把引力波理解成引力的波，引力波的本質是時空的漣漪，是時空的波動！腫麼樣？是不是感覺一下子深刻了許多？我一直都覺得，越深刻的東西，越是那麼平易近人、那麼容易理解。
細心的同學可能已經看出來引力波產生的前提是什麼了，是的，就是物質的運動。物質質量越大，運動的越劇烈，對這個時空的擾動就越大，引力波就越強。
黑洞是質量多大的天體啊，這兩個大傢伙跳著探戈，時空不被他們攪得天翻地覆才怪呢。
那~那~你們怎麼還沒有探測到引力波？
呵呵呵，同學你問得好，問的我們無地自容，但又有點小委屈，真想嗷一句：皇上，臣妾做不到啊！
開個玩笑，先去吃午飯，下章介紹為什麼「做不到」。大家周末愉快~
2 探測引力波的意義
本節可能會涉及一些別的學科的知識，如果表述不正確，請大家指出，謝謝啦。
引力波界大佬之一Bernard Schutz上幾個月前退休。四年前，他曾在北京大學做學術報告時發表感慨：我們花了幾十億美元找引力波，還是沒找到，有時候我晚上碎覺想想，我怎麼能和老婆睡自己床上呢？我TM應該睡監獄裡啊。
聽著大老闆的這番話，當時在座很多人人包括我都會心一笑，多半把他的這番話當成是玩笑話。但是後來自己進入了和這個研究領域，成為他團隊下的一份子後，才真正明白引力波探測的艱難。善良的科學家們，花著大把納稅人的錢去找引力波，半個世紀過去了，我們依然「一無所獲」，有點愧疚也是情有可原。
引力波探測對於物理、對於我們加深對這個宇宙起源、這個時空本質的理解是非常非常重要的。它的初衷可能只是驗證、或者否定相對論的正確性，但是他的物理意義是遠遠超過這個。毫不誇張地說，未來由引力波探測帶來的新的發現，拿20個諾貝爾都輕輕鬆鬆。在後面的章節，我會具體提到引力波對物理各個方面的意義，為什麼我們願意花幾十億美元（甚至上百億），去研究、去探測一個看似和我們生活沒什麼關係的東西。但是在本節，我很想從另外一個角度來說它的意義，我想講一個激動人心的故事，一個你我都參與其中的故事，一個我們這代人都值得驕傲的故事。
恩，引力波的意義這件事情，我想還是得從138億年前說起，大家搬好小馬扎聽我慢慢道來：
138億年前，那一團體積有限（可以想像成網球大小），密度溫度極高的「東西」爆炸了。這絕對是宇宙有史以來最重要的一件事情，因為這次爆炸，不僅誕生
了你和我，還產生了時間和空間。大爆炸的那一刻，宇宙，誕生了。
大爆炸之後的整個宇宙是還是一片漆黑。隨著宇宙越來越大，溫度迅速降低，直到38萬年後，溫度終於低到一定程度，光子開始退耦。宇宙的第一縷光誕生了！
宇宙的第一縷光便是宇宙微波背景輻射（CMB），這個的發現又是另一個可以讓人會心一笑的故事，這裡就不展開了。
宇宙的演化
宇宙微波背景輻射，你看到的這個就是宇宙的第一縷光，它來自138億年前，或者說來著138億光年遠的地方。
「等等」，臺下的聽眾不滿意了：「我們是來聽引力波的故事的，你扯什麼CMB？」大家不要急嘛，宇宙中的任何故事都是一環扣一環，相互聯繫的。來，下面我們來次時空穿越，從那遙遠的138億年前，來到五億多年前的地球。
那個時候的地球，熱鬧極了，有古生物專業的同學對這個應該很熟悉吧。那個時候被稱為寒武紀，在距今約5.3億年前，在2000多萬年時間內地球上突然湧現出各種各樣的動物，它們不約而同的迅速起源，形成了多種門類動物同時存在的繁榮景象。寒武紀生命大爆發是古生物學和地質學上的一大懸案，目前對為什麼生物種類集體出現甚至爆發還沒有一個統一的解釋。總之，那個時候生物瘋狂地進化著，不適應環境的迅速被淘汰，更強的生物取而代之。在這段時間裡，有些生物的眼睛進化出來了。下面我們隆重請出本節主角——奇蝦小朋友出場！
奇蝦（Anomalocaris）
腫麼樣？奇蝦是不是很Q很萌？可不要被它可愛的外面所欺騙哦，它身長可達兩米，非常兇猛：
引用自百度百科：
它有一對帶柄的巨眼，一對分節的用於快速捕捉獵物的巨型前肢，美麗的大尾扇和一對長長的尾叉。它雖不善於行走，但能快速遊泳。25釐米直徑的巨口可掠食當時任何大型的生物，口中有環狀排列的外齒，對那些有礦化外甲保護的動物構成了重大威脅。這是一種攻擊能力很強的食肉動物，它的個體最大可達2米以上，而當時其他大多數動物平均只有幾毫米到幾釐米。
奇蝦作為當時海裡的霸主，能夠統治海洋幾千萬年，除了他的強大的身體之外，還得益於他頭頂那對黑溜溜的大眼睛。要知道，在寒武紀，眼睛才開始進化，很多生物沒有眼睛呢（可能只有感光細胞），有些生物雖然有眼睛，但是因為進化不夠完全，所以視力很模糊，只能看到隱隱約約地看到環境物體的輪廓，所以當捕食者朝它靠近時，它完全反應不過來。奇蝦，作為成功的捕食者，在這場「雷達軍備競賽」中一直遙遙領先，它相對於當時的大多數生物，率先進化出了，可以真正「看到」東西的眼睛！
眼睛的發展本身是一個很複雜的課題，它遊一開始的那些感光細胞開始進化，逐步逐步形成了類似於現代生物的那種眼睛。我們姑且把奇蝦小朋友作為第一種有「複雜」眼睛的生物。
大家來算算，
138億年前：第一縷光
45億年前：地球誕生
36億年前：地球生命誕生
5.3億年前：有眼睛的奇蝦終於可以看到存在了一百億年的光
那個時代的生物，從某種角度上來說，是值得驕傲的！他們作為第一批地球生物，看到了那溫暖明媚的——光！從此，視覺成為了許多生物，包括人類的最重要的感覺之一。
好了好了，讓我們回到物理，回到時空，回到引力波當中來。其實啊，我在生活中，被很多次地問過：你們探測這個引力波有什麼用呢？每次我都可以回答的很好，哪怕對方完全是物理零基礎的文科妹子，因為有時候我不講物理，我講這個奇蝦的故事。
引力波用粒子的角度去理解就是引力子，和光子的理解方式類似。但是不同於光子在宇宙38萬年誕生後才產生，引力子早在宇宙大爆炸之後僅僅0.0000....0001（裡面35個0）秒就先退耦了，存在於這個宇宙中，這也被稱為原初引力波。之後的一百多億年的時間裡，除了那些原初引力波，宇宙中任何物體只要運動，都會輻射引力波。兩個黑洞共舞會釋放引力波，超新星爆發會釋放引力波，月亮繞著地球會釋放引力波，悟空揮動起金箍棒來也會釋放引力波，你在路上和心儀的妹子擦肩而過時候，除了你的砰然心動，你，還是在釋放著你的引力波。
對啊，你說對了，引力波就是另一種光，這種「光」的本質是時空的波動，但是還是可以把它理解成除了電磁波（光）之外的令一種光。
神說：要有光。
於是奇蝦在133億年後看到了第一種光。
138億年後
今天，或者說即將，我們就可以看到第二種光！
這絕對是繼奇蝦同志之後五億年以來最重要的時代！
這個「即將」是多久？業內普遍認為引力波將在4年內被探測到，同學們啊，才四年，其實就算預計的四年內探測不到，那引力波被探測到也是這個時代要發生的事情。作為恰巧生處於這個時代的每一個人，都應該為這個時代而驕傲，為人類而驕傲，為地球生命而驕傲。這個時代的地球人類，代表著地球生命，可以驕傲地宣布：我們不再失明，我們看到了，我們看到了那第二種光！
這裡想插一句，小時候特別喜歡看聖鬥士。小學時候經常被裡面的什麼小宇宙第六感什麼的撩得亢奮。是的，引力波探測到了後，人類就會擁有正真的第六感，那種感知時空漣漪的能力。在科學上，人類的這種第六感，無疑是人類的一雙「天眼」，可以窺探出許多我們之前看不到的東西，比如大爆炸之後38萬年之前的宇宙，比如黑洞的並和等等。有了這雙天眼，宇宙的很多奧秘便可盡收眼底！
有同學提到為什麼業內普遍認為是四年內探測到，我會在後面章節具體說這個，這裡先簡單介紹下為什麼。
說2019年可以探測到是因為引力波的主要探測器ligo在近幾年可以完成升級，完成升級之後的ligo具有更高的靈敏度，結合天體物理的各種模型和數據，我們探測到引力波事件可以增加到幾十次每年。如果那時還沒有探測到引力波，那不是廣義相對論出問題了就是天體物理的很多理論出問題 當然也有可能是我們工作沒做好；） 另外我想提一下bicep2，其實bicep2的結果被普朗克數據否定也在預料之中。不過就算bicep結果被後來的普朗克數據證實，也稱不上是探測到了引力波，只能算引力波存在的一個間接證據。直接探測引力波 主要是靠以ligo為首的幾個大型引力波探測雷射幹涉儀。
3 為什麼探測引力波這麼困難
——引力波把黑洞併合的交響曲帶給地球，物理學家設計出儀器來尋找那些波，傾聽他們的音樂。
圖：蟹狀星雲中子星。距離我們6500光年，每秒自轉30.3次，同時釋放著強大的X射線，伽馬光以及引力波。
一切看似都是這麼美好，是啊，多簡單呀，只要廣義相對論說他就是存在的，那努力造儀器找不就完了嗎？可是很可惜，我們的宇宙中有一樣東西特別特別快，還有一樣東西特別特別小。
是滴，快的是光速，3億米每秒；小的是萬有引力常數6.674e-11牛平方米每千克。
我把這兩個數列在下面：
c=300000000(八個零)
G=0.0000000000667（11個零）
霍金在時間簡史中開玩笑說，科普書裡面加一個公式，銷量就會減半。同樣我也非常不喜歡在科普文章裡面列公式出來，我如果寫下下面那個公式，點讚會不會也減半？
文科生不要被這個公式嚇到，很簡單的都是乘除法啦，安心聽我講，很好理解的！
h0 =40×G×I×f^2×e/（c^4*D）
引力波強度=（40×萬有引力常數×轉動慣量×頻率的平方×橢率）除以（光速的四次方×距離）
就是由於這兩個數（c和G），導致我們探測引力波是那麼的艱難。
我先簡單分析下裡面各個量的數值：
I：轉動慣量。這個基本和物體的重量和形狀有關，簡單說，質量越大的物體轉動慣量越大，比如中子星，有1.4個太陽質量，他的轉動慣量是一個很大的很大的數，大約1e38（嗯，很驚人，一共38個0！）正是由於中子星轉動慣量比較大，所以我們可以把它作為一個很好地引力波源，而不是在玩呼啦圈的你。
f：頻率。中子星轉得越快，引力波越強。不過我們已知的中子星的轉速，最快也就每秒鐘1000下。所以我們在這項上又賺了6個0！
e：橢率。中子星不是一個絕對完美的球體，如果絕對完美，它轉起來對時空是沒有擾動的，也不會釋放引力波。一般認為他的橢率大概在1e-6。恩，我們在這個參數上損失了6個0.
D：距離。這個不得了，大家知道宇宙其實是很空曠的，恆星間距離都已以光年計算。假設那個中子星離我們1000光年。那麼就是1e19米。這次我們虧不少，幸好有前面的38個0頂著。
同學們，不要忘了，我還沒有計算萬惡的c和G，關鍵這c還是四次方的！
那引力波強度現在是幾個0了？1+38+6-6-19-11（引力常數）-8×4（光速）=
-23。
天啊，此役慘敗！就算我們用中子星這麼完美的天體引力波源，我們要找的引力波強度才0.00000000000000000000001（1e-23）。
這個引力波的強度的影響，相當於1公裡的長度上有了1e-19米的變化！
這個是什麼概念：
最小的原子氫原子的半徑：1e-10m
它的原子核半徑：1e-15m。
現在，自然告訴我們，如果想看到引力波，我們需要在1公裡的長度上找到那小於原子核半徑一萬倍的空間變化，這。。。您不是開玩笑嘛？
可以想像當年引力波科學家發現引力波是這麼小的一個微弱的量時候，內心是多麼絕望！甚至在廣義相對論提出後的二三十年中，沒人敢嘗試找這麼微小的的一個量。
所以，別扯什麼精密工具機，分子拼接這種「高精度」的實驗或者設備。我可以無比肯定的說，這個世界上，空間尺度最精密的實驗，毫無疑問就是引力波探測。這是自然迄今為止給予人類最高難度的挑戰，一度被認為是人類現有技術遠遠達不到的挑戰。想要激發小宇宙獲得第六感，自然給我們的要求就是：你要先完成超神之舉。
如果引力波可以被人類探測到，我想用我最喜歡電影之一《致命魔術》中的一句臺詞表達我們的心情：
Man's reach exceeds his imagination！
4 引力波科學發展歷史
引力波的存在性，在廣義相對論提出之後，在上個世紀40年代曾受到不少物理學家的質疑。雖然不久之後質疑漸漸消去，但是當大部分的物理學家認為，引力波如此微弱，是不可能探測到的。第一個對直接探測引力波作為偉大嘗試的人是約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）。早在上個世紀50年代，他第一個充滿遠見地認識到，探測引力波不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終，韋伯選擇了一根長2m、直徑0.5m、重約1噸的圓柱形鋁棒，其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器，被業內稱為共振棒探測器（如下圖）：
圖：韋伯和他設計的共振棒探測器。引力波驅動鋁棒兩端振動，從而擠壓表面的晶片，產生可測的電壓。
當引力波到來時，會交錯擠壓和拉伸鋁棒兩端，當引力波頻率和鋁棒設計頻率一致時，鋁棒會發生共振。貼在鋁棒表面的晶片會產生相應的電壓信號。共振棒探測器有很明顯的局限性，比如他的共振頻率是確定的，雖然我們可以通過改變共振棒的長度來調整共振頻率。但是對於同一個探測器，只能探測其對應頻率的引力波信號，如果引力波信號的頻率不一致，那該探測器就無能為力。此外，共振棒探測器還有一個嚴重的局限性：引力波會產生時空畸變，探測器做的越長，引力波在該長度上的作用產生的變化量越大。韋伯的共振幫探測器只有2m，強度為1e-23的引力波在這個長度上的變化量實在太小，對上世紀五六十年代的物理學家來說，探測如此之小的長度變化確實非常困難。雖然共振棒探測器沒能最後找到引力波，但是韋伯開創了引力波實驗科學的先河，在他之後，很多年輕又富有才華的物理學家投身於引力波實驗科學中。
在韋伯設計建造共振棒的同時期，有部分物理學家認識到了共振棒的局限性，有一種基於麥可遜幹涉儀原理的引力波探測方案在那個時代被提出。到了70年代，MIT的外斯（Rainer Weiss）以及馬裡布休斯實驗室的佛瓦德（Robert Forward），分別建造了引力波雷射幹涉儀。到了七十年代期，這些幹涉儀已經成為共振棒探測器的重要替代者。
圖：引力波雷射幹涉儀的工作原理
引力波雷射幹涉儀的基本思想。可以簡單理解為有四個測試質量被懸掛在天花板上，一束單色、頻率穩定的雷射從雷射器發出，在分光鏡上被分為強度相等的兩束，一束經分光鏡反射進入幹涉儀的Y臂，另一束透過分光鏡進入與其垂直的另一X臂。在經歷了相同的時間之後，兩束光返回，並在分光鏡上重新相遇，產生幹涉。我們可以通過調整X、Y臂的長度，控制兩束光是相消的，此時光電二極體上沒有光信號。如果有引力波從垂直於天花板的方向進入之後，會對兩臂中的一臂拉長，另一臂壓縮短，從而兩束光的光程差發生了變化，原先相干相消的條件被破壞，有一定數量的光線會進入探測器，得到引力波信號。雷射幹涉儀對於共振棒的優勢顯而易見：首先，雷射幹涉儀可以探測一定範圍的頻率的引力波信號一般是（20Hz-3000Hz）；其次，雷射幹涉儀的臂長可以做的很長，比如地面引力波幹涉儀的臂長一般在km的量級，遠遠超過共振棒的m。
自20世紀 90 年代起，在世界各地，一些大型雷射幹涉儀引力波探測器開始籌建，引力波探測黃金時代就此拉開了序幕。這些引力波探測器包括：位於美國路易斯安那州利文斯頓臂長為 4 km 的LIGO（L1）；位於美國華盛頓州漢福德臂長為的 4 km 的 LIGO（H1）；位於義大利比薩附近，臂長為 3 km 的 VIRGO；德國漢諾瓦（Hannover）臂長為 600 m 的 GEO，日本東京國家天文臺臂長為 300 m 的 TAMA300。這些探測器在2002年至2011年期間共同進行觀測，但並未探測到引力波。在經歷重大改造升級之後，兩個高級LIGO探測器於2015年開始作為靈敏度大幅提升的高級探測器網絡中的先行者進行觀測。此外，歐洲的空間引力波項目eLISA和日本的地下幹涉儀KAGRA 的研發與建設也在緊鑼密鼓地進行。
圖：位於美國路易斯安那州利文斯頓附近的臂長4km的雷射幹涉儀引力波探測器 LIGO（L1）
左圖為位於美國華盛頓州漢福德附近的臂長4km的雷射幹涉儀引力波探測器 LIGO （H1），右圖為 位於義大利比薩附近，由義大利和法國聯合建造的臂長為 3 km 的雷射幹涉儀引力波探測器 VIRGO
圖：日本的地下幹涉儀KAGRA內部，在山頂下方1000米處。地下巖壁都用防水布包裹，因為裡面水太多了。當時有個日本哥們在國際學術會議上做的報告簡直就是在賣萌：今天這裡水很多，我擦了擦，明天那裡出來條小溪，我把它填了。。。給我感覺他的整個博士階段就是在拖地。：）
PS:後排左一是我。
一個引力波探測器造價要數億美刀，非常昂貴。肯定有不少同學會問，為什麼我們要花這麼多錢在全球各地建造那麼多探測器呢？這是是一個非常好的問題！
前文已經說了引力波的強度是那麼的微弱，我們探測器必須要造得非常非常靈敏才行。靈敏到什麼程度？這裡我給大家講個個真實的八卦。我聽我在GEO600工作的同事說，在德國漢諾瓦的GEO600經常會受到一種周期性信號，後來就過分析原來是遠在千裡之外大西洋的海浪對北歐大陸的影響。
請問各位同學，假如有一輛卡車在某探測器旁開過，我們怎麼知道我們測到的是真實的引力波信號還是噪聲呢？
最簡單最有效的解決方案，就是。。。。
建倆兒。。。。
理由很簡單，引力波經過地球時候，對所有探測器都有影響。而卡車經過，或是海浪，或是某人在邊上放了個爆竹，只會在一個參測器上產生噪聲。建造引力波探測器網絡，除了可以有效地甄別虛假信號之外，還可以更精確地測定引力波天體源的位置，分析引力波天體源的結構和性質。
圖：分布在世界各地的引力波探測器網絡。
作者（友）與Kip Thorne合影