1915年，爱因斯坦正式提出了广义相对论，我们可以用一种比较形象的方式来解释：时空的弯曲，或者说，是带质量的物体进行加速度运动而产生的波。论经过近一个世纪，广义相对论从一个不为多数物理学家所理解的抽象引力理论演变成为现代物理学中的一个涵盖牛顿万有引力的基础理论。

图1 四种基本相互作用示意图

　　直到今天为止，宇宙中任何被观察到的，一切关于物质的物理现象，在物理学中都可借助这四种基本相互作用的机制，来进行描述和解释。广义相对论对4种基本相互作用之一的引力作用的描述，在现代宇宙学、高能天体物理、天体测量以及导航等领域中发挥着越来越重要的作用。作为一个物理理论，广义相对论 经受住了很多严格的实验检验。除早期水星近日点进动，太阳引起的星光偏折、Shapiro 引力红移三大经典实验检验之外，本世纪初，脉冲星的脉冲到达时间的精密测量结果与广义相对论的理论预言相吻合。广义相对论所预言的双中子星动力学,引力透镜效应也已经被天文观测的结果所证实. 特别是广义相对论所预测的银河系中心人马座黑洞的存在，在天文学观测中获得了间接证据。

1.什么是引力波

　　而在北京时间2016年2月11日23点30分，美国国家科学基金会（NSF）召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布：人类首次直接探测到了引力波！这一个科学突破直接证实了广义相对论的另一个重大预言，即引力波的存在。

图2 LIGO探测图

（图片来源： LIGO-Virgo / Northwestern U / Frank Elavsky & Aaron Geller.）

　　在经典牛顿力学体系中，力是一个很基本的概念。爱因斯坦说：“引力波就是时空弯曲的直接后果。”在广义相对论中，引力已不再作为力而存在，而是描述引力源引起的时空弯曲。时空不再是单纯的物理运动的背景，而有着自身的动力学内涵。在动态的时空动力学演化中，引力源运动引起的时空结构改变，会产生相应的几何曲率振荡现象，即引力波。引力波的本质是时空几何的震荡传播。有别于其他广义相对论预言验证，对引力波的探测不仅仅是对广义相对论的支持，同时也是对广义相对论的基本物理思想“时空几何包含动力学”的直接实验检验。

　　如同平静的湖面会因突然越出水面的鱼而泛起涟漪，在宇宙中发生的大质量天体相撞，同样会在时空中泛起涟漪，并以波的形式向宇宙各个方向传播，这就是引力波。有经验的渔民可以通过水面涟漪的波纹判断鱼的种类和大小，同样地，科学家也可以通过探测到的引力波来分析天体的质量，寻找宇宙的奥秘。

　　那么我们又该如何理解引力波呢？我们可以想象一下，如果一个运动员站在蹦床上，也就是我们所说的弯道，他所站的位置就会形成一个洼地。如果运动员还在，弯曲的钢尺在那里总是很紧。这种紧张其实是在储存能量。跳一下，蹦床就会把他弹起来。如果他稍微动一下为什么被弹起来了？是因为之前储存的能量被释放了。这种释放不仅使人弹跳到空中，还使蹦床表面从一开始的紧绷静止状态突然变成反复起伏、上下翻滚的褶皱状态。这种滚动扩展的褶皱可以理解为波浪。传播，也就是引力波的产生。

图3 引力波示意图

　　同时我们知道，宇宙中的天体都是一个一个的球。就像咱们一屁股坐到沙发上沙发会塌陷一样，这些天体悬在空中，由于引力的作用，周围的空间以及时间也会弯曲，但这种弯曲它是静止不动的。可是当两个球邂逅，相互绕飞时，静态的时空弯曲就被搅动了起来，如同水滴落在水面产生的涟漪那样，一个圆圈一个圆圈地向外辐射。这就是引力波，又称时空涟漪。

图4 两个较大物体旋转产生的空间涟漪

2.引力波为何难探测

　　100年前，爱因斯坦在预言引力波存在时就曾说：“这些数值是如此微小，它们不会对任何的东西产生显著的作用，没人能够去测量它们。”事实的确是这样，万有引力虽然无处不在，但它却是我们已知物理世界中最弱的力。尽管它很多行为类似电磁波，但是对它的波动性的探测却比登天还难。

　　通过研究引力波，科学家们能够区分最初宇宙奇点所发生的事情。原则上，引力波在各个频率上都有。不过非常低频的引力波是不可能探测到的，在非常高频的区域，也没有可靠的引力波源。斯蒂芬 霍金和沃纳 伊斯雷尔认为可能可以被探测到的引力波频率，应该在1.0E-7Hz 到1E11Hz之间。

　　虽然引力波在不断的通过地球，但即使最强的引力波效应也是非常小的，并且这些波源距离我们很远。比如GW150914在最后的剧烈合并阶段所长的引力波，在穿过13亿光年之后到达地球，最为时空的涟漪，也仅仅将LIGO的4公里臂长改变了一个质子直径的万分之一，也相当于将太阳系到我们最近恒星之间距离改变了一个头发丝的宽度。这种极其微小的变化，如果不借用异常精密的探测器，我们根本是探测不到的。

3.引力波该如何探测

　　20世纪90年代，麻省理工学院的莱纳 魏斯（Rainer Weiss）想到了一个绝妙的点子：用激光的干涉来测量引力波。

　　加州理工和麻省理工开展合作，主导了两个激光干涉引力波观测台（LIGO）的建设。LIGO呈现巨大的L形，每一边都有4千米长。

图5 LIGO地面装置图

　　LIGO其实就是采用了激光干涉的原理：一束激光在经过一个半透镜后朝向两个互相垂直的方向前进，各自遇上一面反射镜，反射回来重新汇聚。理论上，只要反射镜与半透镜的距离精确一致，汇聚后的激光能够由于干涉而相互抵消。

图6 LIGO结构设计图

　　而一旦引力波经过，激光走过的距离被改变，就会出现微小的光波波形变化，这时光探测器就能感应到干涉条纹的变化。最理想的状态就是从无到有，原本是完全互相抵消的，如果被引力波影响，就会形成干涉波形图样。无论时空如何变化，光速是不变的。如果激光跑过的路程被引力波拉长或者压短，激光通过该边的时长就会发生变化，从而影响探测器的结果。理论上，测量到干涉条纹，科学家们就相当于测量到了引力波。

　　而为了能够获得更清晰的干涉波形，需要激光的强度足够大，增强激光功率的方法，就是让激光通过许多镜面进行多次来回反射，这些纯SiO2打造的反射镜，每300万个光子射入，只有1个会被留下，其余光子全部会被反射走。

　　LIGO本身的激光臂就有4公里长，但这对于精度而言还远远不够，激光要经过400次反射，才能达到最终的强大功率，也就是说激光臂最终长度是1600公里，这样惊人的长度才能实现最终的精确率。

　　实际操作起来却非常非常困难。因为地球上本身存在太多的电磁噪音干扰，这些干扰本身比引力波要大得多。从在附近疾驰而过的汽车到极其微弱的地震活动，从仪器的轻微起伏到人为的信号改动，多如牛毛的各色因素都可以成为影响引力波测量的噪音。这就好比要在极端嘈杂的聚餐环境下，要分辨出用牙签在杯子上敲出的摩斯密码一样艰难。这也是为什么要在相隔甚远的两地各设置一台LIGO，两边同时观测到一致的数据，才更能说明问题。

　　地面引力波探测干涉仪的主要代表包括美国的LIGO、意大利法国合作的VIRGO、德英合作的GEO600以及日本的TAMA300等。

　　由于受地表震动和引力梯度噪声的影响以及干涉臂长的限制，地面引力波探测的频段无法覆盖天体事件所产生的引力波中低频范围（随着黑洞天文学的飞速发展，人们逐步意识到在0.1mHz ～1 Hz 频段拥有大量的天体波源，主要来自102～106 倍太阳质量的双黑洞并合），因此需要发展空间百万公里量级的长基线激光干涉引力波探测系统，所以物理学家们也开始向太空进军。

　　空间引力波探测与地面激光干涉引力波探测相比较而言，首先空间探测的工作频段更低，能达到10-4～10Hz；其次空间探测的工作距离能达到百万公里量级上，预计能探测到双致密星系统、超大质量比双黑洞绕转系统、中等质量比双黑洞绕转系统，以及星系合并引起的超大质量黑洞并合等波源。为此，测距精度须达到皮米量级，并且保证测距技术有效工作的无拖曳航天技术亦有很高的要求。

　　空间引力波干涉仪其实就是一个长基线的微重力环境下的梯度仪，它在本质上与地球重力场测量卫星计划一样，通过探测两个测试质量上力的微小差别来实现高精度的引力梯度测量。

图7 引力波梯度仪、卫星-卫星跟踪、空间激光引力波探测仪之间的方法学比较

　　20 世纪90 年代，欧洲ESA和美国NASA合作，开始发展空间激光干涉引力波探测项目LISA（即Laser Interferometer Space Antenna，激光干涉空间天线）计划，预备发射3 颗相同的卫星，组成边长为5 106km的等边三角形，在地球同步轨道上围绕太阳运转，探测频段为1mHz～1 Hz，任务执行时间为1～5 年，这是最早开始发展的空间激光干涉引力波探测项目，也是目前国际上发展最成熟的空间引力波探测计划。

图8 LISA示意图

　　LISA(eLISA)计划的轨道设计是空间激光干涉引力波探测器的基本设计，也是空间激光干涉引力波探测最简单的设计. 航天器采用无拖曳航天控制技术，航天器间组成3 个非独立的夹角为60 的迈克尔逊干涉仪，用来测量航天器间的由引力波引起的距离变化。LISA将采用的是与地球相同的日心轨道，并且LISA与太阳的连线，和地球与太阳的连线之间的夹角为20 ，这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。

图9 LISA轨道及航天器编队示意图

　　空间激光干涉引力波探测的基本原理我们可以理解为：首先利用测试质量的间距作为传感器，将引力波信号转化为两条臂长度(即测试质量之间的距离) 的变化信号。然后，利用高精度的激光干涉仪对这个距离变化进行读出。因此，高精度的空间激光干涉测距系统，是获取引力波信号的直接手段。

图10 LISA及eLISA/NGO卫星编队示意图

　　引力波从我国的发展来讲，引力波这一探索宇宙的全新窗口，是我国发展基础科学的重要机遇期。早在上世纪70年代，中国科学家就开始了引力波研究，可惜因种种原因停滞了十几年，造成了人才断层。直到2008年，在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下，中科院空间引力波探测工作组成立，引力波的中国研究再启征程，同时空间引力波探测已被列入中国科学院制订的空间2050年规划。

4.引力波探测的意义

　　引力波发现将对天文宇宙学发展以及宇宙探索有着重大突破性意义。为什么这么说呢？这是因为引力波探测将弥补电磁波和光学探测的不足，可以探测宇宙更远更深入的情况。

　　我们知道，在宇宙中存在的四种基本力中，引力和电磁力作用范围都是无限远。光学和各种射电、射线都属于电磁力范畴，理论上虽然可以探测无限远，但光电探测有一个致命弱点，就是会被物质所吸收和遮挡。而宇宙中充满了尘埃和各种天体，因此，远方天体很容易被遮挡住，就很难探测到，或者难以探测得很清楚。

图11 宇宙时期示意图

　　这场根据大爆炸宇宙模型，在宇宙大爆炸开始，到38万年之间这个时间段，宇宙处于极端高温高密度状态，这段时间电磁波是被屏蔽的，无法溢出，也就是各种波段的光都被禁锢宇宙一锅浓密的粒子汤里面，对人类来说是伸手不见五指的黑暗时期。

　　而宇宙在这38万年间，发生了巨大变化，经历了普朗克时间的普朗克温度，也就是大爆炸开始10-43秒时，宇宙温度为1032K，大小只有10-35米的尺度。以后又在10-35秒时，发生了仅持续10-33秒时间的暴涨，在这短短一瞬宇宙膨胀发生了100次加倍，也就是体积瞬间增加了1030倍。

　　宇宙的四种基本力、各种粒子、电子、中子、质子、一直到中性原子生成的过程，都在这段时间里。那么，这一切是怎么发生的，是不是符合模型预测，如果只是依靠电磁波和可见光来探测，人类就永远也无法知晓。因此，在没发现引力波之前，人们把这段时期的宇宙叫“过去视界”，与可观测宇宙之外的“未来视界”，是人类两个无法探知的禁区。

　　引力波的发现和证实，为人类探测这段黑暗时期带来了曙光。科学家们认为，只要未来人类的探测装置足够精密，总有一天，人类能够探测到从宇宙大爆炸开始那一瞬间到38万年电磁波（光线）出现前，这段黑暗时期的全部情况，人类将进一步了解宇宙的起源和变化过程。

图12 宇宙起源示意图

　　虽然人类可能永远也无法知道“未来视界”的情况，但通过对宇宙起源到现在的走向，基本就可以更精确地推测出宇宙的归宿了。

　　因此，引力波的发现和证实，是人类在天文宇宙探测方面一个最伟大的进步，也是爱因斯坦对人类贡献一个新的里程碑!