相关论文，以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger为题，在Physical Review Letters上发表。论文作者包括LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院陈雁北教授等。 此文介绍引力波探测漫长曲折而又激动人心的经历，和一些鲜为人知的花絮，从300年前的引力，100年前相对论，一直讲到今天的引力波。

爱因斯坦都不敢想象，我们真的探测到引力波！

1915年，爱因斯坦发表广义相对论论文，革新了自牛顿以来的引力观和时空观，创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年，爱因斯坦在广义相对论的框架内，又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。

因为引力波的效果极其微弱，100年前的爱因斯坦认为引力波在任何能想象的情况下都可以忽略。50年以前，实验物理学家Joe Weber勇敢的开拓了引力波探测的先河。40年前，天文学家Hulse和Taylor发现了脉冲双星、间接证实了引力波的存在。25年前，物理学家Drever, Thorne和Weiss在美国国家科学基金的资助下开始建造激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO）。 今天，美国的LIGO和欧洲的VIRGO引力波探测器联合发布消息，宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。

在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件（GW150914）中，4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离，以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动，被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出，让人类第一次“近距离的接触”了黑洞。黑洞不再是科幻作品中的神奇物体，不再躲在高温磁化的等离子体后面，也不再稳稳的坐在星系中央。这次，我们实实在在的观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。引力波探测的成功，为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。

引力

引力是无处不在的。 它主导了天，让宇宙、星系、恒星、行星有序地形成和演化；它主导了地，让我们生活的地球分成了各个圈层，让苹果落地，让人类羡慕鸟类飞翔，让日出日落，山川秀丽。可是，引力虽然无处不在，它却低调而又卓尔不群，以至于我们经常会忽略它： 我们生活中的五颜六色、酸甜苦辣，都是由电磁相互作用所产生的。而到目前为止，在微观上，引力还是和其他基本相互作用不能融合！

引力是人类最早定量认识的相互作用，让人类从无知走向科学。在17世纪，伽里略的斜塔实验就通过运动学证明了引力对众生平等，也就是等效原理-- 不同材质的物体下落加速度一致。1687年，牛顿创建了万有引力定律，并且发明微积分的数学方法对行星的运动进行精确的描述。后人用牛顿的理论发现了海王星和冥王星。虽然水星近日点的进动一直和牛顿预言闹一点非常微小的矛盾，但是貌似引力的终极理论就此完成。

在牛顿发现引力之后的几百年，物理学的进展更多的是在对电和磁的研究，1865年麦克斯韦最终建立了电场和磁场的大一统理论。到了1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，极具洞察力地论证了电磁场的统一性暗含了时间和空间的统一性：物理理论必须把时间和空间放在一起考虑，而时间和空间本身，失去了绝对意义。一个新的概念，“时空”，就这么诞生了。

广义相对论

尽管牛顿的万有引力定律有着几乎完美的实验验证，但是观念上是把时间和空间分开考虑的，并且牛顿引力是瞬时传播的。因此，牛顿引力和狭义相对论理论在概念上是矛盾的。提出了狭义相对论之后，爱因斯坦进一步研究引力和“时空几何”的关系，重新思考伽里略所观察到的物体下落加速度一致这个现象，意识到引力是一个非常特殊的相互作用。如果我们进入一个自由下落的参照系，那么引力会消失！这就是为什么在地球附近的宇航员会感觉到失重：不是因为他们离地球太远，而是因为他们在自由下落！

如果我们进入自由下落的参照系，引力好像没有了，是不是意味着引力只是参照系变换的产物，而不是真实的物理存在呢？不是的，因为宏观上不同位置上自由下落的参照系是不同的！如果我们考虑一个足够大的空间站，就会发现空间站不同位置上的物体会有相对加速的现象，这就是所谓的潮汐加速度。而这个加速度，是对所有物体都适用的。爱因斯坦把这个归结于时空几何的弯曲。

广义相对论中的时空几何，就是会让本来速度彼此平行的自由下落物体彼此接近或者远离。像牛顿引力中的苹果落地一样，广义相对论中的弯曲几何也可以用苹果解释。在苹果的表面，如果画一些起初平行的曲线，并且以同样的初速度从这些平行曲线出发。那么根据这些平行曲线的位置和走向不同，它们有的会彼此靠近（正曲率），有的会彼此远离（负曲率）。

爱因斯坦联系时空几何和物质分布的方程，可以写成一个非常简洁的张量形式：

爱因斯坦方程的求解

广义相对论的方程形式美的令人陶醉，但是数学结构比苹果表面的几何复杂很多。 在相当一段时间里，数学家和物理学家只能远观而不能与之亲密接触，只得到了爱因斯坦方程在少数情况下的解，而并不理解这些方程的意义。直到20世纪70年代初，数学物理学家才证明了爱因斯坦方程在原则上可以系统的用初始条件加时间演化的方法求解。在1979年，丘成桐先生和他的学生Richard Schoen用几何分析的方法证明了《正质量定理》，给广义相对论中质量的概念奠定了数学的基础。真正女神的魅力是持久的，爱因斯坦方程解的全局性质、以及物理学家所用的数值解法的收敛性问题，至今也还是数学研究的前沿问题。

黑洞

自从爱因斯坦建立他的引力方程以来，科学家陆续发现了一些解析解，球对称下的Schwarzschild解和轴对称下的Kerr解。这些解所对应的时空中没有任何质量，貌似是纯时空几何的弯曲。

后来，在Oppenheimer和Wheeler 等人的研究下，人们逐渐意识到，这是大质量星体烧尽核燃料以后，通过“塌缩”所达到的一个状态。Wheeler把这些时空结构命名为“黑洞”。

华裔教授陈雁北：“引力波”基础理论研究的价值

陈雁北讲述个人研究在“引力波”实验中的价值。（聂达摄）

陈教授用非常朴实且专业的语言描述着自己的工作：“这是一个非常庞大的项目，其中与之相关的科学家、研究学者和教授以及科研人员，多到难以用精准的数字统计。我所做的工作是基础理论研究的部分，换言之，我并没有从事直接的实验和数据分析工作。我的第一个相关研究是对探测器中部分元素灵敏度的研究。在我们所用以实验的仪器中有各种各样不同的噪声，比如由量子力学所引起的噪声。说的通俗一些就是光对引力波观测造成的干扰。我的任务就是分析这些噪声的大小，在何种情况下可以改善这些噪声的影响，从而提高整个测量实验的灵敏度。我的另外一项工作是，研究实验过程中所使用的镜子产生的热量对引力波观测造成的干扰和噪声。总之，这些工作在整个实验系统中处于比较基础的地位。”

另外，陈教授还表示：“他对数据研究的方法也做出过一些贡献，例如：如何使用统计方法从庞大的数据中抽取出引力波的信号。其中一个比较重要的方法叫做“滤波”。在我们所观测到的数据中，存在很多扰动，即是说我们所直接得到的数据是庞杂且混乱的。然而想要在庞杂的数据中得到我们最希望观测到的数据序列和规律，是需要一些方法的。因此，我曾经的研究内容，就是提出一些可以应用于这个过程的方法和策略。这些方法可以帮助更加有效地提取引力波的信号，从而帮助将这些信号与相对论的预言进行对照。”

最后，陈教授表示：“对于这么大的一个项目，每一个部分都是由相当大的、完整的团队去进行，我个人仅仅从事理论研究以及数据分析方法研究。”

　　引力波的发现有何重大意义？激光干涉引力波天文台（LIGO）科学合作组织核心成员、加州理工学院陈雁北教授指出：“1.广义相对论以时空几何来描述引力，而引力波的发现，代表了人类直接探测到了时空几何的动态扭曲。2.作为恒星演化的末态，黑洞是天文学中的一种重要物体。引力波让我们详细观测到了其附近时空几何的强烈弯曲和震荡。3.进一步的引力波观测，让我们以全新的方式精确的检验广义相对论，也开启了观察宇宙的新视窗。4.LIGO的实验本身，代表了精密测量科学取得了重大进步。”

Scientists have for the first time detected gravitational waves, ripples in space and time hypothesized by Albert Einstein a century ago, in a landmark discovery announced on Thursday that opens a new window for studying the cosmos.

The researchers said they detected gravitational waves coming from two distant black holes – extraordinarily dense objects whose existence also was foreseen by Einstein – that orbited one another, spiraled inward and smashed together. They said the waves were the product of a collision between two black holes roughly 30 times the mass of the Sun, located 1.3 billion light years from Earth.