明鏡（馬克斯·普朗克引力化學研究所）
胡一鳴（馬克斯·普朗克引力化學研究所、清華學院）
1915年，愛因斯坦發表了場多項式，完善了廣義相對論。一年以后，史瓦西發表了后來被拿來解釋黑洞的愛因斯坦場等式的解。1963年，克爾給出了旋轉黑洞的解。1974年脈沖雙星+16的發覺否認了致密雙星系統的引力幅射完全與廣義相對論的預言一致。2016年2月11日，LSC（LIGO科學合作組織，）向全世界宣布：人類首次直接偵測到了引力波，而且首次觀測到了雙黑洞的碰撞與并合。
在這一百年里，被譽為“人類認知自然最偉大的成就”的廣義相對論，仍然在成長中：我們曉得了時空的彎曲以及一些由時空彎曲可能形成的奇特事物，例如黑洞、引力波、奇點、蟲洞甚至時間機器。在過去歷史中的個別時期，甚至現今，其中有些事物被不少化學學家視為大雨猛獸般的怪物，對它們是否存在提出過強烈的懷疑。就連愛因斯坦本人直至去世前都還在懷疑黑洞的存在。以前同樣的黑洞懷疑論者惠勒，后來卻成為了黑洞存在的支持者和宣傳者。歷史告訴我們，我們對時間、空間和時空彎曲所形成的事物的認知，會發生革命。引力波作為廣義相對論的重要預言，直至在上個世紀60年代其實 物理學家探測引力波的嘗試，其存在性也仍被不少化學學家指責過。在以后的漫長時光里，幾代化學學家付出了無數努力，可這神秘的引力波卻始終沒有被發覺。
上海時間2015年9月14日17點50分45秒，激光干涉儀引力波天文臺（以下簡稱LIGO）分別坐落加拿大路易斯安那州的利文斯頓（）和芝加哥州的漢福德（）的兩個的偵測器，觀測到了一次置信度高達5.1倍標準差的引力波風波：。按照LIGO的數據，該引力波風波發生于距離月球十幾億光年之外的一個遙遠星體中。兩個分別為36和29太陽質量的黑洞，并合為62太陽質量黑洞，雙黑洞并合最后時刻所幅射的引力波的峰值硬度比整個可觀測宇宙的電磁幅射硬度還要高十倍以上。詳盡結果將在近期發表于化學評論快報（Phys.Rev.Lett.,116,）。這項非凡的發覺標志著天文學已然步入新的時代，人類自此打開了一扇觀測宇宙的全新窗口。
LIGO漢福德(H1,左圖)和利文斯頓(L1,下圖)偵測器所觀測到的引力波風波。圖中顯示兩個LIGO偵測器中都觀測到的由該風波形成的引力波硬度怎樣隨時間和頻度變化。兩個圖均顯示了的頻度在0.2秒的時間上面“橫掃”35Hz到250Hz。先抵達L1，隨即抵達H1，前后相差7微秒——該時間差與光或則引力波在兩個偵測器之間傳播的時間一致。（此圖版權為LSC/所有）
1、什么是引力波？
廣義相對論告訴我們：在非球對稱的物質分布情況下，物質運動，或物質體系的質量分布發生變化時，會形成引力波。在宇宙中，有時還會出現如致密星系碰撞并合這樣非常劇烈的天體化學過程。過程中的大質量天體劇烈運動擾動著周圍的時空，扭曲時空的波動也在這個過程中以光速向外傳播出去。因而引力波的本質就是時空曲率的波動，也可以凄美地稱之為時空的“漣漪”。
下邊這個動漫來自舊金山學院的S.Barke，顯示了兩個黑洞互相繞旋漸漸緊靠最后并合的全過程。過程中黑洞周圍的時空被劇烈擾動，最后以引力波的方式傳播出去。
引力波的硬度由無量綱量h表示。其數學意義是引力波造成的時空畸變與平直時空度規之比。h又被稱為應變，它的定義可以用右圖說明。
引力波豎直穿過由靜止粒子組成的圓所在平面時，圓形狀發生的變化。（圖片來自美國愛因斯坦研究所。）
由上圖可見，在引力波穿過圓所在平面的時侯，該圓會由于時空彎曲而發生畸變。圓內空間將隨引力波的頻度會在一個方向上被拉伸，在與其垂直的方向相應地被壓縮。為了易于解釋引力波的數學效應，圖中所顯示的應變h大概是0.5，這個數值遠遠小于引力波的實際硬度。哪怕是很強的天體化學引力波源所釋放的引力波硬度，抵達月球時也只有10-21。這個硬度的引力波在整個月球那么大的尺度上形成的空間畸變不超過10-14米，正好比質子大10倍。
2、引力波是如何被發覺的？
在過去的六六年里，有許多化學學家和天文學家為證明引力波的存在作出了無數努力。其中最知名的要數引力波存在的間接實驗證據——脈沖雙星+16。1974年，印度數學學家家泰勒（）和赫爾斯（）借助射電望遠鏡，發覺了由兩顆質量大致與太陽相當的中子星組成的互相旋繞的雙星系統。因為兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，借助它的精確的周期性射電脈沖訊號，我們可以無比精準地曉得兩顆致密星系在繞其形心公轉時她們軌道的半長軸以及周期。按照廣義相對論，當兩個致密星系近距離彼此繞旋時，該體系會形成引力幅射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統總能量會越來越少，軌道直徑和周期也會變短。
泰勒和他的同行在以后的30年時間上面對+16做了持續觀測，觀測結果精確地按廣義相對論所預測的那樣：周期變化率為每年降低76.5毫秒，半長軸每年減短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年后合并。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據，是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。泰勒和赫爾斯因而入選1993年諾貝爾化學學獎。
+16轉動周期累積聯通觀測值與廣義相對論預言值的比較。圖中紅色曲線為廣義相對論的預測值，紅點為觀測值。二者偏差大于0.2%，此發覺給引力波科學注入了一針強心劑。
在實驗方面，第一個對直接偵測引力波作偉大嘗試的人是韋伯（）。早在上個世紀50年代，他第一個飽含遠見地認識到，偵測引力波并不是沒有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波偵測方案的設計中。最終，韋伯選擇了一根長2米，外徑0.5米，重約1噸的圓錐形鋁棒，其側面指向引力波到來的方向。該類型偵測器，被業內稱為共振棒偵測器（如右圖）：
韋伯和他設計的共振棒偵測器。引力波驅動鋁棒兩端震動，因而擠壓表面的晶圓，形成可測的電流。圖片來自：德克薩斯學院。
當引力波到來時，會交錯擠壓和拉伸鋁棒兩端，當引力波頻度和鋁棒設計頻度一致時，鋁棒會發生共振。貼在鋁棒表面的晶圓會形成相應的電流訊號。共振棒偵測器有很顯著的局限性，例如它的共振頻度是確定的，盡管我們可以通過改變共振棒的寬度來調整共振頻度。并且對于同一個偵測器，只能偵測其對應頻度的引力波訊號，假如引力波訊號的頻度不一致，那該偵測器就無能為力。據悉，共振棒偵測器還有一個嚴重的局限性：引力波會形成時空畸變，偵測器做的越長，引力波在該寬度上的作用形成的變化量越大。韋伯的共振幫偵測器只有2米，硬度為10-21的引力波在這個寬度上的應變量(2×10-21米)實在太小，對上世紀五六十年代的數學學家來說，偵測這么之小的寬度變化是幾乎不可能的。其實共振棒偵測器沒能最后找到引力波，可是韋伯開創了引力波實驗科學的先河，在他以后，好多年青且富于才氣的化學學家涉足于引力波實驗科學中。
在韋伯設計建造共振棒的同時期，有部份化學學家認識到了共振棒的局限性，有一種基于邁克爾遜干涉儀原理的引力波偵測方案在哪個時代被提出。到了70年代，麻省理工大學的韋斯（）以及黎巴嫩布休斯實驗室的佛瓦德（），分別建造了引力波激光干涉儀。到了70年代后期，這種干涉儀已經成為共振棒偵測器的重要取代者。
引力波激光干涉儀的工作原理
上圖可以描述引力波激光干涉儀的基本思想?？梢院唵卫斫鉃橛兴膫€測試質量被懸掛在天花板上，一束單色、頻率穩定的激光從激光器發出，在分光鏡上被分為硬度相等的兩束，一束經分光鏡反射步入干涉儀的X臂，另一束透過分光鏡步入與其垂直的另一Y臂。經過末端測試質量反射，兩束光返回，并在分光鏡上重新相遇，形成干涉。我們可以通過調整X、Y臂的寬度，控制兩束光是相消的，此歲月子偵測器上沒有光訊號。當有引力波從垂直于天花板的方向步入以后，會對手臂中的一臂拉伸，另一臂壓縮，因而兩束光的光程差發生了變化，原來相干相消的條件被破壞，探測器端的光強都會有變化，借此得到引力波訊號。激光干涉儀對于共振棒的優勢顯而易見：首先，激光干涉儀可以偵測一定頻度范圍的引力波訊號；其次，激光干涉儀的臂長可以做的很長，例如地面引力波干涉儀的臂長通常在千米的量級，遠遠超過共振棒。
自20世紀90年代起，在世界各地，一些小型激光干涉儀引力波偵測器開始設立，引力波偵測黃金時代就此拉開了帷幕。
這種引力波偵測器包括：坐落加拿大路易斯安那州利文斯頓臂長為4千米的LIGO（L1）；坐落加拿大渥太華州漢福德臂長為的4千米的LIGO（H1）；坐落加拿大漢堡附近，臂長為3千米的VIRGO；日本法蘭克福臂長為600米的GEO，臺灣東京國家天文臺臂長為300米的。這種偵測器在2002年至2011年期間共同進行觀測，但并未偵測到引力波。在經歷重大改建升級以后，兩個高新LIGO偵測器于2015年開始作為靈敏度急劇提高的高新偵測器網路中的先行者進行觀測，而高新VIRGO也將于2016年年末開始運行。據悉，法國的空間引力波項目eLISA和美國的地下干涉儀KAGRA的研制與建設也在緊鑼密鼓地進行。
想要成功偵測例如的引力波風波，除了須要這種偵測器具有驚人的偵測靈敏度，還須要將真正來自于引力波源的訊號與儀器噪音分離：比如由環境誘因或則儀器本身造成的微擾，就會攪亂或則輕易吞沒我們所要找尋的訊號。這也是為何須要建造多個偵測器的主要誘因。它們幫助我們分辨引力波和儀器環境噪音，只有真正的引力波訊號會出現在兩個或則兩個以上的偵測器中。其實考慮到引力波在兩個偵測器之間傳播的時間，前后出現會相隔幾個納秒。
上圖（來自/）是坐落加拿大路易斯安那州利文斯頓附近，臂長4千米的激光干涉儀引力波偵測器（L1）。右圖為高新LIGO的靈敏度曲線:圖中X軸是頻度，Y軸是頻度對應的噪音曲線，儀器噪音越低，偵測器對引力波的靈敏度越高。可見高新LIGO的最佳靈敏度在100-300Hz之間。
經過4年不斷升級和測試的高新LIGO總算在2015年9月初試鋒芒。事實上，好多人都對2015年的第一次觀測運行（O1）能夠偵測到訊號抱有懷疑心態，由于它的靈敏度還遠遠沒到最佳狀態。但是，宇宙常常在不經意間給人以驚喜。甚至在O1沒有即將啟動時，就早已不期而遇了*。慶幸的是，O1采用的是軟啟動，所以在訊號抵達月球時，偵測器早已處于工作狀態了，采集到的數據也是可靠的。
3、事件究竟是哪些？
在2015年9月14日上海時間17點50分45秒，LIGO坐落加拿大利文斯頓與漢福德的兩臺偵測器同時觀測到了訊號。這個訊號首先由低延后搜索方式來辨識（這些搜索方式并不關心精確的引力波波形，它通過找尋可能為引力波的個別特點征兆來較快速地找尋引力波），在僅僅三分鐘以后，低延后搜索技巧就將此作為引力波的候選風波匯報了出來。以后LIGO干涉儀獲得的引力波應變數據又被LSC的數據剖析專家們用來和一個海量的由理論估算形成的波形庫中的波形相對照，這個過程是為了找到和原數據最匹配的波形，也就是一般所說的匹配混頻器法。圖7展示了進一步數據剖析后的主要結果，否認了是兩個黑洞并合的風波。
通過比較引力波應變數據（以在漢福德的H1偵測器所接收的應變為例）和由廣義相對論估算得出的在旋進（）、合并()、鈴宕（）三個過程的最佳匹配波形，得出的關于的一些關鍵推論。圖片下方展示了兩個黑洞的寬度和相對速率隨時間演進的過程，它們的速率在不到0.2秒的時間內達到了0.6倍光速。（此圖版權為LSC/所有）
后續跟進的數據剖析結果還顯示，是一個36倍太陽質量的黑洞和一個29倍太陽質量黑洞并合風波，在并合后形成了一個62倍太陽質量帶載流子的kerr黑洞。這一切發生于距離我們十幾億光年以外的地方。LIGO偵測器真實地偵測到了好久曾經發生于某個遙遠星體的一個大風波！
將并合前的兩個黑洞和最終形成的黑洞相比較，可以發覺此次并合將大概3倍太陽質量（大概600萬億億億（~6×1030）公斤）轉換成了引力波能量，其中絕大部份在不到1秒的時間里釋放了出去。相比之下，太陽在1秒內發出的能量大概只相當于是四十億（～4×109）公斤物質轉換成的電磁幅射。實際上，令人驚奇的是，放出的峰值功率要比可觀測宇宙中所有星體的光度總和還高10倍以上！正是由于致密雙星系統在并合前的最后階段才會釋放達到峰值功率的引力波，所以之前提到的還有3億年才會并合的+16雙星因為正在釋放的引力波硬度還太弱，因而很難被偵測到。
以上數據還表明，這兩個黑洞在并合前的間隔只有數百公里，引力波的頻度在此時大概達到了150Hz。由于足夠致密，黑洞是惟一已知在這么近的距離都不會碰撞融合的物體。由并合前總質量可知，雙中子星的總質量遠高于此，而假如是一對黑洞和中子星組成的雙星的話，要形成這樣的波形，它們必將會在遠高于150Hz的時侯就已經開始并合了。因而，確鑿無誤是一次雙黑洞的并合風波。
新的時代
愛因斯坦的廣義相對論自從100年前提出以來，歷經了重重考驗，從對水星近期點進動的解釋，到1919年愛丁頓對日食時太陽附近光線偏折的研究，再到對引力紅移的驗證，每一次檢驗，相對論都從容應對。而這一次引力波的偵測，更是有力地支持了相對論在強引力場下的正確性。至此，廣義相對論的所有主要預言被一一驗證，而這一個傳奇的理論在經歷了一個世紀的風雨后歷久彌新。
有這么一個時代，人們以為化學學的大樓早已完整地構建，后世的化學學家只須要修修復補，把個別常數測得更精確一些。作出這個預言以后沒多久，開爾文就與世長辭，遺憾無法見證他當初預言的“物理學天空的兩朵烏云”把看似結實的化學學大樓連根拔起，在瓦礫上矗立起新兩座的高樓：相對論和量子熱學。
現今，雖然又到了化學學突破山窮水盡的時刻，又是一個小輩只能修修復補的年代，對于一個化學學家而言，生于這個時代雖然是不幸的。而且，引力波的發覺，又打開了一扇希望的房門。廣義相對論和量子熱學存在著根本性的矛盾，仍然是現代數學學天際線上的一朵烏云。而極大質量和極小尺度的黑洞，是研究這一烏云最佳的著手點。引力波是惟一能深入探究黑洞的研究手段，作為化學學家，生于這個時代又是何其的辛運！所以說，引力波的偵測，遠遠超出了檢驗廣義相對論本身的意義。
2015年9月14日引力波的發覺是科學史上的里程碑。這一非凡的成就，匯聚了太多化學學家的心血，也是多少人魂牽夢縈的所在。我們有幸生在這個時代，見證數學學歷史的重大進程。對于我們這種親身參與其中的科研工作者而言，更是倍感無比榮幸。其實我國目前在引力波領域的研究力量稍顯薄弱，少有專門的研究團隊，并且在LIGO科學合作組織中也活躍著不少中國人的身影，包括臺灣地區LIGO科學合作組織的惟一成員單位復旦學院，借助GPU加速引力波暴數據剖析和實現低延后實時致密雙星并合訊號的搜救；采用機器學習方式強化引力波數據噪音的剖析；剖析引力波風波明顯性的系統偏差等。據悉北大還參與建立引力波數據估算基礎平臺，開發的數據剖析軟件工具為LSC成員廣泛使用。我們非常謝謝對本文有幫助的幾位LSC年青同行們：佐治亞理工的張淵皞，澳洲學院的王龑、朱興江和儲琪，澳大利亞學院的孫翎，倫敦學院的王夢瑤，格蘭薩索研究所的王剛等等。
在文章最后其實 物理學家探測引力波的嘗試，列舉LSC內部幾位科學家包括我們自己對本風波的評價來結束此文。
4、發現引力波意味著哪些？
“愛因斯坦曾經覺得引力波太過微弱而難以偵測，而且他未曾相信過黑洞的存在。不過，我想他并不介意自己在這種問題上寫錯了?！薄R克斯·普朗克引力化學研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所）主任艾倫（）
“通過這項發覺，我們人類開啟了一場波瀾壯麗的新旅程：一場對于探求宇宙那彎曲的一面（從彎曲時空而形成的事物和現象）的旅程。黑洞的碰撞和引力波的觀測正是這個旅程中第一個完美的范例。”——索恩()
“引力波的直接偵測實現了50年前就設定好了的偉大目標：直接偵測無法捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在愛因斯坦廣義相對論100華誕之際完美地續寫愛因斯坦的傳奇。”——加州理工大學，LIGO天文臺的執行官萊茲（.）
“這項偵測是一個是時代的開始：引力波天文學研究領域如今總算不再是紙上談兵?！薄狶SC發言人，路易斯安那州立學院化學與天文學院士岡薩雷斯(ález)
“在《星際穿越》和《三體》中，都不約而同地將引力波選為了未來科技發達的人類的通信手段，這或許只能是美好的幻想，但對于天文研究而言，引力波的確開啟了一扇新的窗口。吹進來的第一縷清風，就帶來了一個重大的信息：極重的星體級雙黑洞系統存在并可以在足夠短的時間（10億年）內并合。這是讓我們始料未及的。誰能曉得在將來的更多的偵測中，LIGO和一眾引力波偵測器能帶給我們哪些樣的驚喜呢？”——馬克斯·普朗克引力化學研究所、清華學院博士后，胡一鳴
“不少親朋好友問過我，你在研究些哪些。我都如此回答：我們在找另一種光，一旦找到，意味著人類自此有了第六感，如同有了超能力，用一雙天眼俯瞰神秘宇宙中無盡的奧妙。如今，我們，找到了！”——馬克斯·普朗克引力化學研究所博士生，明鏡