如何評價 LIGO 科學團隊宣布探測到引力波及其影響？

11-28

北京時間2月11日23點30分（美國東部時間2月11日10點30分），美國國家科學基金會召集來自Caltech，MIT和LIGO的科學家，在華盛頓特區的全國記者俱樂部就探測引力波的研究作進展報告。

LIGO Scientific Collaboration

本答案的第一個版本是複製粘貼了我的專欄文章：記一個大新聞的出爐——對，說的就是引力波的發現，這篇文章講了2月11日新聞發布會之前4個多月的時間裡，「LIGO發現引力波」的消息是怎麼不脛而走、傳的轟轟烈烈的。請不了解故事背景的同學，先看看這篇。

而今天我想談的是——

零、LIGO新聞發布會說了些什麼？

We have detected gravitational waves. We did it.

「我們探測到了引力波。我們做到了。」

細節：

1、這次發現的引力波事件發生於2015年9月14日9:50:45 UTC——記得我之前的專欄文章里怎麼說的嗎？

2015年9月18日，歷經5年的升級改造，LIGO升級成為擁有十倍於原型靈敏度的「Advanced LIGO」並正式開始觀測。僅僅一個星期之後，宇宙學家Lawrence Krauss就在推特上放出消息稱「有傳言（rumour）稱LIGO測到了引力波。要是真的就碉堡了。消息確認後會更新細節。」

所以，在所謂「正式開始觀測」前4天，LIGO就已經探測到了引力波！！！

至於這段話，

這次早產的流言很快遭到了官方壓制——LIGO發表聲明，他們會在信號中人為添加一些假信號，用來測試工作人員是否能正確提取信號。而由於除了極個別高管以外沒人知道，這樣的假信號會被基層工作人員誤以為是真實的引力波事件。這種說法也許是真的，也許只是LIGO在泄密事件發生時的危機公關。

沒錯。LIGO團隊新聞發言人Gabriela González在發布會上，回答的第一個問題，就是Nature雜誌記者問的，關於在正式開始觀測之前（試觀測）就已經探測到引力波這件事。González終於沒啥心理負擔的表示「Not an injection」——「人為添加信號」一說，確實是LIGO渾水摸魚的危機公關之辭。

2、36+29=62+3，5.1 sigma

此前泄露的數字沒錯！（一個36太陽質量的黑洞和一個29太陽質量的黑洞併合為質量62太陽質量的黑洞，損失的3個太陽質量的能量以引力波釋放了出來。信號的置信度達5.1 sigma，也就是有99.99998%的把握認為沒看錯，達到了「發現」的標準。）

現在，我終於可以大喇喇的把文章里的圖貼出來了——在發布會之前一個多小時，一份從高能所流傳出來的paper瞬間傳遍了所有關心這件事的人。幾分鐘之內三四個不同渠道的人一起扔出了這篇文章共享，全都加一句「別外傳……」。偷食之酸爽！

（分居美國西北和東南兩角的LIGO的兩個觀測站，Hanford觀測站和Livingston觀測站測得的結果。上面是振幅隨時間變化的波形，下面是頻率隨時間增長的情況。）

（兩個站的結果對比——在信噪比比較好的地方，幾乎完全一致！）

3、引力波源的光度距離大約是410 Mpc，也就是紅移~0.09處，13億光年之外。
銀河系的直徑僅僅是十萬光年。到仙女星系的距離僅僅是250萬光年。

13億年前，當地球上僅有藍藻辛勤的製造著氧氣，為接下來漫長歲月里生命的繁榮做著準備的時候，兩個算不上太大的黑洞與彼此融合——這融合激起的漣漪跨越13億光年的無數星系團、氣體、塵埃、恆星，掃過地球，引起相當於一個質子直徑千分之一的微小變化——居然還就被藍藻的後代發現了……（誤：其實人類不是藍藻的後代……否則都成了植物人……）

引力波源的方向位於南半球大麥哲倫雲附近。但是因為現在LIGO只有美國這兩個站，定位定的不準，只能畫出這麼個長條形的概率分布。等以後歐洲的VIRGO，甚至日本的KAGRA、印度的LIGO-India都上馬之後，對引力波源方向的定位會有極大的改善。

4、兩個黑洞合併瞬間，把3個太陽質量轉化成了能量，以引力波的形式發射了出去。這個功率大約是可觀測宇宙所有恆星功率之和的50倍！

（在併合之前，兩個黑洞之間的相對速度達到了將近0.6倍光速——對宏觀物體來說，這相當誇張了。）

5、這次引力波事件的引力波振幅峰值是~10^-21，改造之前的LIGO，所謂「initial-LIGO」，其實也能勉強夠得著這個靈敏度。但是光夠得著峰值是不夠的，要辨認出波形特徵，需要能看到更暗的地方。這就是為什麼改造前的LIGO用了十年時間一無所獲，而改造之後靈敏度提升了10倍的advanced-LIGO，一開機就看到了想要找的東西。

但是注意，未來3年中，LIGO還會繼續本輪的改造，其靈敏度還會有3倍的增長！迎接未來的更多引力波事件吧！

上圖是LIGO發表的論文的「展望」章節。文中說「第一個觀測季內的完整結果將在未來繼續發表」。根據可靠線報，這個「完整結果」的意思是——在過去的四個月中，LIGO發現了不止這一例引力波事件！沒錯，在新聞發布會召開之前，引力波天文學的時代已經悄然拉開了序幕。（更新：發布會之後兩天，LIGO放出的新文章表示，還有一例疑似事件叫LVT151012，因為置信度較低，所以不能很有把握的說就是。）

6、有趣的是，這次的發現是美國的LIGO做出的，而LIGO的歐洲夥伴，擁有一架稍小的激光干涉引力波天文台的VIRGO團隊，也在同一時間召開了新聞發布會。美國的新聞發布會是美國國家自然基金委員會（NSF）的一名官員主持的，開場後先照例「感謝國家」、感謝國會、感謝納稅人了半天。所以一度VIRGO這邊發布會的進程要比LIGO這邊更快。

當然，平心而論，就這種事上，我們確實感謝美帝國主義及其納稅人。
當然，我們也希望有朝一日，世界可以因為這樣的事情，感謝我們。

7、發布會上有一句話讓我很感動：

這就是科學，我們不挑容易的事做。

一、引力波到底能告訴我們什麼？

引力波的發現驗證了廣義相對論最後一個未被實驗直接檢測的預言，但引力波帶來的認知革命絕不止步於此。引力波為我們打開了除電磁輻射（光學、紅外、射電、X射線等）、粒子（中微子、宇宙線）之外，一個全新的窗口——我們從未能夠以這樣的方式觀察宇宙。在引力波這個新窗口中，我們不再是以電磁場、物質粒子作為觀察宇宙的憑藉——我們感受的，是時空本身的顫動！因為引力波是一個bling~bling~閃閃發亮的嶄新窗口，我們得以看到（或可能將會看到）很多以前極難觀測的天體和現象。

引力波將會告訴我們：

1、黑洞是不是真的存在？

LIGO的直接探測到的第一例引力波事件（據說）來自兩個恆星質量黑洞的併合。兩個黑洞併合前，會在與彼此的繞轉中攪動周圍的時空，向四周散發出漣漪般的引力波。這些引力波帶走了一部分雙黑洞系統的引力勢能，讓兩個黑洞越繞越近、越近越快。而兩個黑洞最終併合之後，融合成的大黑洞會經過幾下「搖擺」，才會融成完美的球形。所以今天發布的引力波事件的波形大體如下圖所示：

在第一個階段「旋進」時，引力波的周期越來越短（頻率越來越高），振幅越來越大；到第二個階段「併合」時，頻率和振幅都達到極值；在併合之後的「衰盪」階段，振幅急劇減小到零。這樣的波形非常有特點——如果做成人耳能聽到的音頻，就像是旋轉著冒出水面並破碎的氣泡一樣，非常有意思。（音頻鏈接）

正是因為這種波形的振幅、頻率變化非常有特點，讓LIGO團隊得以把這一類波形在各種具體參數組合下的不同形狀做成模板庫，用於和LIGO實際收集到的信號做匹配。所以LIGO才能夠順利的找到這次的引力波事件。

於是乎，既然探測到了兩個黑洞併合的事件，我們自然知道——黑洞是存在的！

你說，我們不是早就知道黑洞存在了么？

其實不完全是……實際上我們雖然已經觀測到海量的天體物理現象，是可以用黑洞的存在予以完美解釋的，比如繞銀心旋轉的恆星的軌道表明，它們所圍繞的，是一個在很小尺度內擁有巨大質量的天體——但是這不一定是個黑洞呀……（雖然我們並不相信會是別的什麼東西）

「非凡的預言需要非凡的證據」。黑洞是天文學家、物理學家的絕好玩具，好到他們不敢輕易相信它的存在。由雙黑洞併合產生的引力波的發現，給出了黑洞確實存在的空前牢靠的證據。

註：其實思路上，還是只能通過觀測數據限制繞轉天體的質量和軌道半徑。但是銀河系中心天體周圍的恆星軌道給出的限制在萬公里量級（該量級具體數字我還在查證，但肯定大於萬公里，而且我想可能大於億公里量級），而引力波觀測給出的限制在史瓦西半徑量級，也就是百公里量級。我們得以把對緻密天體的半徑的限制提升好多個數量級。如果說幾億公里內還有可能有一些別的奇怪的中心天體存在的話，幾百公里內，真的只有黑洞這一個選項了。

2、引力波是以光速傳播嗎？

有波就有對應的粒子。引力波對應假想的引力子。如果引力子像光子一樣，沒有質量，那也應該以光速傳播，這是經典的廣義相對論的預言。但是也有人表示，如果引力子有一點質量，也許有助於解釋宇宙加速膨脹。而如果引力子有質量的話，它就會以低於光速前進。這樣如果我們能分別觀測到一次高能事件產生的電磁輻射和引力波，看看它們到達地球有沒有時間差，就能知道引力波是否在光子之後抵達地球，也就是引力波是否以光速傳播。

是，則再次捍衛老愛；不是，更是動搖物理大廈基礎的重要發現。

實際上就在引力波大新聞的論文發表的同一期PRL上，就有另一篇文章討論引力波的速度。這篇文章通過對我們發現的第一對雙脈衝星（Hulse-Taylor脈衝星）的觀測，把引力波的速度與光速的差別限制在0.01以下。

對了，這對脈衝星也是Hulse、Taylor兩位前輩天文學家首次間接驗證引力波所使用的源呢！PRL這顯然是故意的^ ^

（Hulse-Taylor脈衝星軌道周期的變化，符合因輻射引力波損失能量而導致周期變短的廣義相對論預言。這兩位仁兄也因此獲得1993年諾貝爾物理學獎。）

3、宇宙弦存在嗎？

有理論認為，宇宙早期相變過程中，可能產生極細卻具有宇宙學尺度的長度的「宇宙弦」。

這些宇宙弦就像耳機線，總有一天會自己打成結。當它們打結時，結點會發生斷裂，並以引力波的形式釋放出能量。

這種現象，如果真的存在，引力波是其釋放能量的主要機制。

（宇宙弦打結的時候釋放出的引力波波形模擬）

有些腦洞大的物理學家猜，也許宇宙弦的打結能夠產生封閉類時曲線——通俗的講也就是可以實現時間旅行——這確實是我們期待能探測宇宙弦的一個好理由。當然，應該注意到，過去一二十年中，COBE、WMAP等宇宙微波背景輻射（CMB）探測衛星並沒有找到宇宙弦對CMB留下什麼痕迹，也就是說即使宇宙弦真的存在，也不會有特別主要的作用。今天Kip Thorne在回應記者提問時，也表示，引力波會有助於我們加深對時空彎曲的理解，但要說時間旅行，還太太太早了點。

4、中子星上有山嗎？

中子星是大質量恆星死亡時，核心殘留的緻密天體。它們的大小跟北京二環差不多，質量卻可達兩個太陽質量。這麼緻密的天體，表面重力加速度非常大，以至於任何一點凹凸不平，都應當會被重力差破壞掉。所以理論上，中子星應該是完美的球形。

不過有天文學家相信，也許中子星上也是有「山」的——海拔幾毫米的崇山峻岭。這些「山」的存在，讓中子星有了微小的不對稱瑕疵，這樣的瑕疵像一個小小的傷口，會使高速自轉的中子星通過引力波不斷損失能量。

而我們，可以通過監聽中子星發出的引力波，來推測其上山巒起伏的情狀。這給我們提供了一種新的探索中子星極緻密物態性質的方法。

5、恆星怎麼就爆了？

大質量恆星生命終點的時候，可能在一場劇烈的超新星爆炸之後塌縮為黑洞或中子星。但我們現在還不知道，超新星具體是如何點燃的。監聽超新星爆炸時的引力波波形，與電磁波段的觀測進行對比，可以給我們提供檢驗現有模型的更多依據。

6、宇宙膨脹的多快？

現在我們測量宇宙膨脹速度，使用的是Ia型超新星作為「標準燭光」——因為發現宇宙加速膨脹而獲得諾貝爾獎的哪幾個大哥，都是靠觀測Ia型超新星拿獎的。

不過要是Ia型超新星不夠準確，可就麻煩了。好在引力波能給我們提供一個獨立的「標準燭光」：通過測量引力波事件的強度，我們能推算出引力波源的距離。如果我們能在電磁波段上找到引力波源所在的星系，就能比較該星系的紅移與引力波源距離之間的關係——這樣我們就又多了一種測量宇宙膨脹速度的方法。

本段主要參考、編譯自2月9日Davide Castelvecchi在Nature新聞欄目上發表的短文《Gravitational waves: 6 cosmic questions they can tackle》。

二、為什麼是LIGO做出了這項發現？

1、引力波探測器的分類
愛因斯坦同志1916年就提出引力波這茬了，到六十年代左右，就有人開始琢磨怎麼探測引力波。最早的引力波探測器長這樣：

一個大鋁筒。基本原理是，如果引力波的頻率跟鋁筒的共振頻率一致，會引起它的顯著收縮-拉伸。旁邊的人叫Joe Weber，公認的引力波探索先驅。他曾在1969年宣布，用這台機器測到了引力波。

但是同行重複他的實驗，沒有一個能重現這一結果的。所以大家認為他搞錯了。

這次測到的引力波的振幅是10^-21。很明顯，用越大的數字去乘這個10^-21，會得到一個越大的結果。這個鋁筒這麼小，顯然得不到什麼結果。要知道LIGO的臂長就有4 km，內部更是讓光路反射了400次，激光光路長度達到1600km，這麼大的數去乘那個10^-21，才勉強得到一個大約跟質子半徑一個量級的變化。所以這種幾十年前的棒狀引力波探測器，顯然不可能有什麼結果。

後來人們發展出了激光干涉儀為原理的探測器。代表就是美國的LIGO和歐洲的VIRGO。

基本原理是，把引力波掃過導致的長度變化，轉變為激光干涉結果的光強變化。「干涉」幾乎是精密測量的「作弊器」，不用什麼別的工具，我們能通過手機貼膜貼合不均勻處的干涉條紋，直觀看出貼合間距的微小變化。LIGO也能通過測量兩束相干紅外激光的干涉光強，判斷激光臂長的極微弱變化。

同樣的原理，放到天上，能得到更長的臂長：長達數萬公里。這樣引力波導致的變化將更加明顯。所以美歐提出了LISA計劃，中國也提出了天琴計劃，都是打算髮射空間衛星，組成干涉儀網路，進行長距離的干涉測量。

更長的臂長——就只能靠天上本來就有的東西了：脈衝星、微波背景輻射。脈衝星的周期會受到經過的引力波的擾動，而微波背景輻射里，據信留有宇宙大爆炸時原初背景輻射的印跡。它們也可以用於示蹤引力波。

波速不變的話，波長與頻率成反比。臂長越長，對越長的波長更敏感，也就是對更低的頻率更敏感。所以LIGO、LISA、脈衝星、微波背景輻射，它們分別示蹤一系列不同頻率的引力波信號，彼此互為補充，不能相互替代。

其中，LIGO這種幾公里基線的激光干涉儀，對頻率~100的信號最敏感——這正是雙黑洞、雙中子星等雙緻密天體併合前的一瞬發出的引力波的頻率。我們前面說過，這種雙星併合事件的引力波最有獨特特徵，最容易識別，因此不難理解，是LIGO搶先探測到了引力波。

而LISA、天琴就要低頻一些了，它們對頻率為~10^-2到~10^-4的信號最敏感。因此它們更適合尋找銀河系中相對慢速繞轉的雙緻密星，以及因身材龐大而轉不快的超大質量雙黑洞。

脈衝星適合探測頻率~10^-8的引力波，宇宙微波背景輻射更是只能探測~10^-16次方這樣極端低頻的引力波。以上所有這些，就像是工作在不同的電磁波段一樣，共同描繪出完整的引力波的多彩世界。

2、LIGO的黑科技

就算LIGO的臂長對應的引力波頻率跟雙黑洞併合剛好一致，就算干涉原理吊炸天，憑什麼LIGO可以測得出千分之一個質子半徑的細微變化？

大陸板塊在移動。大海在拍擊著全球的洋底。大氣呼號著。整個北美大陸的汽車轟鳴著。螞蟻軍團就在隔壁掀起了一場滅國之戰。想要把所有這些雜訊隔離開，專心傾聽來自十幾億光年外、振幅為千分之一質子半徑的波動？

太平洋上颱風肆虐，我在上海的岸邊扔了一粒石子，請你在加州海灘上測出它的漣漪。

1）隔離震動

發布會上，Weiss演示了LIGO隔絕震動的基本原理：當你高頻搖動一個擺的繩端，擺並不會跟你一起搖動，反而會維持穩定。

當你把這招用到極致，就是這樣：

左圖是升級改造前的LIGO：反射鏡僅有25厘米直徑，用兩根鋼絲吊起。而右圖中，升級改造後的Advanced-LIGO，使用了遠為複雜的機構，和更大、更重的反射鏡，來最小化反射鏡本身的晃動。

而這個東西，是吊在這裡面的：

震動隔離平台。主動減震。

2）干涉
我想你已經知道了什麼是干涉——如果不知道的話，看下圖：

兩束光，峰谷對應，得到的光峰谷分別加強，總光強更強；峰谷錯位相消，則最後什麼光都沒有剩下。

這樣，光強極為靈敏的顯示了兩束光的峰谷之間的細微差距。

3）功率倍增器
激光越強，干涉產生的圖樣越清晰易測量。為了保證效果，LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其實只有200瓦——為將此功率倍增，LIGO讓入射的激光首先在很多鏡面之間來回反射，並將反射後強度疊加後的光原路輸回原光路，形成所謂「能量循環」，滿足了LIGO的功率要求。

4）鏡子
純二氧化硅打造，每300萬個光子入射，只有1個會被吸收。一個字，亮。

5）真空
LIGO的激光臂全部在真空腔內，其真空腔體積在地球上僅次於LHC（歐洲的大型強子對撞機），氣壓僅為萬億分之一個大氣壓。

6）反射
有如上所述的強激光、超潔凈的鏡片和真空環境，LIGO才能無所畏懼的讓激光在4 km臂中反射了400次再進行干涉——這極大的增加了LIGO的有效臂長，讓它能以1600 km的臂長，探測更低頻的信號，並且得到更顯著的測量結果。

發布會上，美國人表示「LIGO是世界上最精密的測量儀器」，誠哉。

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===========================以下文字是二月六日作答的

謝邀，按組織要求不能現在作答，等時機成熟之後來填坑。
了解了知乎版規之後，發現需要補充一點硬貨才能算得上是一個合格的答案。我先一些可以寫的，別的內容我以後再來補充。

先回答下，現在流言四起，都在討論這個事件。我無法對事件本身給出很多信息。
我這個回答的前提是，在未來某天人類可以探測到引力波，對我們的意義是什麼！

首先在我的這個回答裡面
如何理解引力波，怎樣具體探測？ - Jing Ming 的回答，
第二節里，我從哲學角度，說了引力波對於地球生命的意義。
探測到引力波，哲學上說，是人類是地球生命有了第六感。有朝一日我們可以探測到引力波，意味著人類有多了一種感覺。我們除了聽，除了看，看可以「波」這個世界，這個宇宙。雖然是藉助於科學儀器，不是生物學上人類自己進化出來的功能，但是這個的意義和五億年前奇蝦第一次看到光一樣重大。從此，人類好比有了一雙天眼，飽覽這宇宙之中無盡的奧秘。
==================================================
現在是德國時間2016年2月11日晚上8點。恩，對，現在組織派我來更新了。
本文是我和我同事胡一鳴接受《賽先生》的邀請寫的稿子，裡面比較詳細地解讀了本次事件的科學性。本人經過賽先生編輯部的同意現在貼上部分內容在這個回答裡面，相信對本問題是一個比較好的解答。
賽先生原文：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3OTgzMzUzOA==mid=402410426idx=1sn=13e9863029501a29b78216181157997escene=1srcid=0211jAc3PNi9nRnOHqyyfLVDkey=710a5d99946419d9459ebad34beef303c9d39815267c055cd9ce21ba6b760e1402120414be1e4e1d9c752d2d59e3379cascene=0uin=MTA0OTEwNjI4MQ%3D%3Ddevicetype=iMac+MacBookPro9%2C1+OSX+OSX+10.11.3+build(15D21)version=11020201pass_ticket=hHTXsLxO%2FM49vI%2FQHz6mKsiO0yyih%2BeDDl9XDNj4zZkeTfBgbdmTExZsv2u5rEmo

愛因斯坦世紀預言終獲驗證，LIGO首次直接探到引力波！

1915年，愛因斯坦發表了場方程，建立了廣義相對論。一年之後，史瓦西發表了後來被用來解釋黑洞的愛因斯坦場方程的解。1963年，克爾給出了旋轉黑洞的解。1974年脈衝雙星 PSR1913+16的發現證實了緻密雙星系統的引力輻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，LIGO Scientific Collaboration）向全世界宣布：人類首次直接探測到了引力波，並且首次觀測到了雙黑洞的碰撞與併合。

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，一直在成長中：我們知道了時空的彎曲以及一些由時空彎曲可能產生的奇異事物，比如黑洞、引力波、奇點、蟲洞甚至時間機器。在過去歷史中的某些時期，甚至現在，其中有些事物被不少物理學家視為洪水猛獸般的怪物，對它們是否存在提出過強烈的懷疑。就連愛因斯坦本人直到逝世前都還在懷疑黑洞的存在。曾經同樣的黑洞懷疑論者惠勒，後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、空間和時空彎曲所產生的事物的認知，會發生革命。引力波作為廣義相對論的重要預言，直到在上個世紀60年代，其存在性也仍被不少物理學家質疑過。在之後的漫長歲月里，幾代物理學家付出了無數努力，可這神秘的引力波卻一直沒有被發現。

北京時間2015年9月14日17點50分45秒，激光干涉儀引力波天文台（以下簡稱LIGO）分別位於美國路易斯安那州的利文斯頓（Livingston）和華盛頓州的漢福德（Hanford ）的兩個的探測器，觀測到了一次置信度高達5.1倍標準差的引力波事件：GW150914。根據LIGO的數據，該引力波事件發生於距離地球十幾億光年之外的一個遙遠星系中。兩個分別為36和29太陽質量的黑洞，併合為62太陽質量黑洞，雙黑洞併合最後時刻所輻射的引力波的峰值強度比整個可觀測宇宙的電磁輻射強度還要高十倍以上。詳細結果將在近日發表於物理評論快報（Phys. Rev. Lett., 116, 061102）。這項非凡的發現標誌著天文學已經進入新的時代，人類從此打開了一扇觀測宇宙的全新窗口。

圖1：LIGO漢福德(H1,左圖)和利文斯頓(L1,右圖)探測器所觀測到的GW150914引力波事件。圖中顯示兩個LIGO探測器中都觀測到的由該事件產生的引力波強度如何隨時間和頻率變化。兩個圖均顯示了GW150914的頻率在0.2秒的時間裡面「橫掃」35Hz到250Hz。GW150914先到達L1，隨後到達H1，前後相差7毫秒——該時間差與光或者引力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。（此圖版權為LSC/Virgo Collaboration所有）

1. 什麼是引力波

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，會產生引力波。在宇宙中，有時就會出現如緻密星體碰撞併合這樣極其劇烈的天體物理過程。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。因此引力波的本質就是時空曲率的波動，也可以唯美地稱之為時空的「漣漪」。

下面這個動畫來自佛羅里達大學的S. Barke，顯示了兩個黑洞相互繞旋慢慢靠近最後併合的全過程。過程中黑洞周圍的時空被劇烈擾動，最後以引力波的形式傳播出去。

知乎不能上傳視頻，有興趣的同學可以去賽先生的鏈接裡面看視頻

引力波的強度由無量綱量h表示。其物理意義是引力波引起的時空畸變與平直時空度規之比。h又被稱為應變，它的定義可以用下圖說明。(動圖請戳原鏈接)

由上圖可見，在引力波穿過圓所在平面的時候，該圓會因為時空彎曲而發生畸變。圓內空間將隨引力波的頻率會在一個方向上被拉伸，在與其垂直的方向相應地被壓縮。為了便於解釋引力波的物理效應，圖中所顯示的應變h大約是0.5，這個數值遠遠大於引力波的實際強度。哪怕是很強的天體物理引力波源所釋放的引力波強度，到達地球時也只有 $10^{-21}$ 。這個強度的引力波在整個地球這麼大的尺度上產生的空間畸變不超過 $10^{-14}$ 米，剛好比質子大10倍。

2.引力波科學的發展歷史

在過去的六十年里，有許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在做出了無數努力。其中最著名的要數引力波存在的間接實驗證據——脈衝雙星 PSR1913+16。1974年，美國物理學家家泰勒（Joseph Taylor）和赫爾斯（Russell Hulse）利用射電望遠鏡，發現了由兩顆質量大致與太陽相當的中子星組成的相互旋繞的雙星系統。由於兩顆中子星的其中一顆是脈衝星，利用它的精確的周期性射電脈衝信號，我們可以無比精準地知道兩顆緻密星體在繞其質心公轉時他們軌道的半長軸以及周期。根據廣義相對論，當兩個緻密星體近距離彼此繞旋時，該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統總能量會越來越少，軌道半徑和周期也會變短。

泰勒和他的同行在之後的30年時間裡面對PSR1913+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：周期變化率為每年減少76.5微秒，半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年後合併。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。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學獎。

圖3：PSR1913+16轉動周期累積移動觀測值與廣義相對論預言值的比較。圖中藍色曲線為廣義相對論的預測值，紅點為觀測值。兩者誤差小於0.2%，此發現給引力波科學注入了一針強心劑。

在實驗方面，第一個對直接探測引力波作偉大嘗試的人是韋伯（Joseph Weber）。早在上個世紀50年代，他第一個充滿遠見地認識到，探測引力波並不是沒有可能。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2米，直徑0.5米，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4：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。圖片版權：馬里蘭大學。

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，比如它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2米，強度為 $10^{-21}$ 的引力波在這個長度上的應變數( $2 imes 10^{-21}$ 米)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是幾乎不可能的。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，很多年輕且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，有一種基於邁克爾遜干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，麻省理工學院的韋斯（Rainer Weiss）以及馬裡布休斯實驗室的佛瓦德（Robert Forward），分別建造了引力波激光干涉儀。到了70年代後期，這些干涉儀已經成為共振棒探測器的重要替代者。

圖5：引力波激光干涉儀的工作原理

圖5可以描述引力波激光干涉儀的基本思想。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、頻率穩定的激光從激光器發出，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干涉儀的X臂，另一束透過分光鏡進入與其垂直的另一Y臂。經過末端測試質量反射，兩束光返回，並在分光鏡上重新相遇，產生干涉。我們可以通過調整X、Y臂的長度，控制兩束光是相消的，此時光子探測器上沒有光信號。當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伸，另一臂壓縮，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，探測器端的光強就會有變化，以此得到引力波信號。激光干涉儀對於共振棒的優勢顯而易見：首先，激光干涉儀可以探測一定頻率範圍的引力波信號；其次，激光干涉儀的臂長可以做的很長，比如地面引力波干涉儀的臂長一般在千米的量級，遠遠超過共振棒。

自20世紀90 年代起，在世界各地，一些大型激光干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4千米的LIGO（L1）；位於美國華盛頓州漢福德臂長為的 4 千米的 LIGO（H1）；位於義大利比薩附近，臂長為 3千米的VIRGO；德國漢諾威臂長為600米的GEO，日本東京國家天文台臂長為300米的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，兩個高新LIGO探測器於2015年開始作為靈敏度大幅提升的高新探測器網路中的先行者進行觀測，而高新VIRGO也將於2016年年底開始運行。此外，歐洲的空間引力波項目eLISA和日本的地下干涉儀KAGRA 的研發與建設也在緊鑼密鼓地進行。

想要成功探測諸如GW150914的引力波事件，不僅需要這些探測器具有驚人的探測靈敏度，還需要將真正來自於引力波源的信號與儀器雜訊分離：例如由環境因素或者儀器本身導致的微擾，都會擾亂或者輕易淹沒我們所要尋找的信號。這也是為什麼需要建造多個探測器的主要原因。它們幫助我們區分引力波和儀器環境雜訊，只有真正的引力波信號會出現在兩個或者兩個以上的探測器中。當然考慮到引力波在兩個探測器之間傳播的時間，前後出現會相隔幾個毫秒。

圖6：上圖（來自LIGO Laboratory/Corey Gray）是位於美國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探測器（L1）。

圖7: 高新LIGO的靈敏度曲線: 圖中X軸是頻率，Y軸是頻率對應的雜訊曲線，儀器雜訊越低，探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終於在2015年9月初試鋒芒。事實上，很多人都對2015年的第一次觀測運行（O1）能否探測到信號抱有懷疑態度，因為它的靈敏度還遠遠沒到最佳狀態。然而，宇宙往往在不經意間給人以驚喜。甚至在O1沒有正式啟動時，GW150914就已經不期而遇了。萬幸的是，O1採用的是軟啟動，所以在信號到達地球時，探測器已經處於工作狀態了，採集到的數據也是可靠的。

3. GW150914事件到底是什麼？

在2015年9月14日北京時間17點50分45秒，LIGO位於美國利文斯頓與漢福德的兩台探測器同時觀測到了GW150914信號。這個信號首先由低延遲搜索方法來識別（這種搜索方法並不關心精確的引力波波形，它通過尋找可能為引力波的某些特徵跡象來較快速地尋找引力波），在僅僅三分鐘之後，低延遲搜索方法就將此作為引力波的候選事件彙報了出來。之後LIGO干涉儀獲得的引力波應變數據又被LSC的數據分析專家們拿來和一個海量的由理論計算產生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，也就是通常所說的匹配濾波器法。圖7展示了進一步數據分析後的主要結果，證實了GW150914是兩個黑洞併合的事件。

圖8：通過比較引力波應變數據（以在漢福德的H1探測器所接收的應變為例）和由廣義相對論計算得出的在旋進（inspiral）、合併(merger)、鈴宕（ringdown）三個過程的最佳匹配波形，得出的關於GW150914的一些關鍵結論。圖片下方展示了兩個黑洞的間距和相對速度隨時間演化的過程，它們的速度在不到0.2秒的時間內達到了0.6倍光速。（此圖版權為LSC/Virgo Collaboration所有）

後續跟進的數據分析結果還顯示，GW150914是一個36倍太陽質量的黑洞和一個29倍太陽質量黑洞併合事件，在併合後產生了一個62倍太陽質量帶自旋的kerr黑洞。這一切發生於距離我們十幾億光年以外的地方。LIGO 探測器真實地探測到了很久以前發生於某個遙遠星系的一個大事件！

將併合前的兩個黑洞和最終產生的黑洞相比較，可以發現這次併合將大約3倍太陽質量（大約600萬億億億（~ $6 imes 10^{30}$ ）公斤）轉換成了引力波能量，其中絕大部分在不到一秒的時間裡釋放了出去。相比之下，太陽在一秒內發出的能量大約只相當於是四十億（～ $4 imes 10^{9}$ ）公斤物質轉換成的電磁輻射。實際上，令人驚奇的是，GW150914放出的峰值功率要比可觀測宇宙中所有星系的光度總和還高10倍以上！正是因為緻密雙星系統在併合前的最後階段才能釋放達到峰值功率的引力波，所以之前提到的還有3億年才能併合的PSR1913+16雙星由於正在釋放的引力波強度還太弱，因此很難被探測到。

圖8中數據還表明，這兩個黑洞在併合前的間隔只有數百公里，引力波的頻率在此時大約達到了150Hz。因為足夠緻密，黑洞是唯一已知在如此近的距離都不會碰撞融合的物體。由併合前總質量可知，雙中子星的總質量遠低於此，而如果是一對黑洞和中子星組成的雙星的話，要產生這樣的波形，它們必定會在遠低於150Hz的時候就早已開始併合了。因此，GW159014確鑿無誤是一次雙黑洞的併合事件。

4. 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，從對水星近日點進動的解釋，到1919年愛丁頓對日全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。而這一次引力波的探測，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後歷久彌新。

有那麼一個時代，人們以為物理學的大廈已經完整地建立，後世的物理學家只需要修修補補，把某些常數測得更精確一些。做出這個預言之後沒多久，開爾文就與世長辭，遺憾未能見證他當年預言的「物理學天空的兩朵烏雲」把看似堅固的物理學大廈連根拔起，在廢墟上挺立起新兩座的高樓：相對論和量子力學。

現在，似乎又到了物理學突破山窮水盡的時刻，又是一個後輩只能修修補補的年代，對於一個物理學家而言，生於這個時代似乎是不幸的。可是，引力波的發現，又打開了一扇希望的大門。廣義相對論和量子力學存在著根本性的矛盾，一直是現代物理學天際線上的一朵烏雲。而極大質量和極小尺度的黑洞，是研究這一烏雲最佳的著手點。引力波是唯一能深入探究黑洞的研究手段，作為物理學家，生於這個時代又是何其的幸運！所以說，引力波的探測，遠遠超出了檢驗廣義相對論本身的意義。

2015年9月14日引力波的發現是科學史上的里程碑。這一非凡的成就，凝聚了太多物理學家的心血，也是多少人魂牽夢縈的所在。我們有幸生在這個時代，見證物理學歷史的重大進程。對於我們這些親身參與其中的科研工作者而言，更是感到無比榮幸。雖然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，但是在LIGO科學合作組織中也活躍著不少中國人的身影，包括大陸地區LIGO科學合作組織的唯一成員單位清華大學，利用GPU加速引力波暴數據分析和實現低延遲實時緻密雙星併合信號的搜尋；採用機器學習方法加強引力波數據雜訊的分析；分析引力波事件顯著性的系統誤差等。此外清華還參與構建引力波數據計算基礎平台，開發的數據分析軟體工具為LSC成員廣泛使用。我們特別感謝對本文有幫助的幾位LSC年輕同行們：羅切斯特理工的張淵皞，西澳大學的王龑、朱興江和儲琪，墨爾本大學的孫翎，伯明翰大學的王夢瑤，格蘭薩索研究所的王剛等等。

在文章最後，列出LSC內部幾位科學家包括我們自己對本事件的評價來結束此文。

「愛因斯坦當初認為引力波太過微弱而無法探測，並且他從未相信過黑洞的存在。不過，我想他並不介意自己在這些問題上弄錯了。」——馬克斯·普朗克引力物理研究所（阿爾伯特·愛因斯坦研究所）所長艾倫（Bruce Allen）

「通過這項發現，我們人類開啟了一場波瀾壯闊的新旅程：一場對於探索宇宙那彎曲的一面（從彎曲時空而產生的事物和現象）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範例。」——索恩(Kip Thorne)

「引力波的直接探測實現了50年前就設定好了的偉大目標：直接探測難以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在愛因斯坦廣義相對論100周年之際完美地續寫愛因斯坦的傳奇。」 ——加州理工學院，LIGO天文台的執行官萊茲（David H. Reitze）

「這項探測是一個是時代的開始：引力波天文學研究領域現在終於不再是紙上談兵。」——LSC發言人，路易斯安那州立大學物理與天文學教授岡薩雷斯(Gabriela González)

「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訊手段，這也許只能是美好的幻想，但對於天文研究而言，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：極重的恆星級雙黑洞系統存在並可以在足夠短的時間（10億年）內併合。這是讓我們始料未及的。誰能知道在將來的更多的探測中，LIGO和一眾引力波探測器能帶給我們什麼樣的驚喜呢？」 ——馬克斯·普朗克引力物理研究所、清華大學博士後，胡一鳴

「不少親朋好友問過我，你在研究些什麼。我都這麼回答：我們在找另一種光，一旦找到，意味著人類從此有了第六感，就像有了超能力，用一雙天眼飽覽神秘宇宙中無盡的奧妙。現在，我們，找到了！」 ——馬克斯·普朗克引力物理研究所博士生，明鏡

http://gammaray.nsstc.nasa.gov/gbm/publications/preprints/gbm_ligo_preprint.pdf
費米伽馬爆探測器已經掛了一個preprint，聲稱他們在LIGO的GW20150914事件後0.4s觀測到了一個40keV的持續1s的信號！而且找不到其他可能的對應信號源，各方面都和引力波的信號很符合！如果認為兩者是同一個來源，那結合兩個信號，可以把源的範圍從600平方度縮小到199平方度

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這件事最大的經驗教訓就是告訴我們有一個好的姓多麼重要！LIGO這次發的所有論文都是把作者按照字母排序，於是第一個都是那位B P Abbot，然後作者如果不是寫 LIGO合作組的話，都是B P Abbott et al……
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最開始我結尾說文章必然如同雪崩一般，於是今天就開始了。
今天是罕見的gr-qc的新文章遠超hep-th
LIGO一共發了11篇，1602.03837 到 03847，而昨天偷跑的論文是1602.03837。
把這些論文都讀完不知道要到什麼時候了。
相關的論文也出現了好多。
比較有趣的一篇是1602.03622，Giddings已經在里討論怎麼用引力波探測黑洞結構的量子修正了……
1602.03883也聽好玩兒，和前天的02809很類似，都是討論探測信號數量的一些影響。
今天是周五，等到下周一再打開arxiv，可以想見潮水一般的新論文會直接把人淹死。
等到周二的例行爆發日……那畫面太美，我簡直不敢想像……
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突然想到einstein@home就是LIGO的哎……那是不是參加過各位就算給這次工作添磚加瓦了？想想還有點兒小激動呢……
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剛看直播回來修改一下……居然是正式開機前的測試就發現的信號！！！！！！
看來我還是too young too simple了……

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相關的科普其它答主都說得很好了，我說點兒別的。
最早聽到這個謠言的時候，我很吃驚。因為去年九月Advanced LIGO才開始運行，我們再扣除一下數據分析，驗證結果，寫作論文啥的花掉的時間，那基本就是剛開機沒幾個星期就探測到信號了。我堅決不信運氣能這麼好，剛剛開機就出現了一個，而且之後都沒看到新的。所以這說明引力波信號非常多，以至於只要探測精度夠了，一開機就是烏泱烏泱一大堆啊。
所以我猜他們到現在看到的引力波信號肯定除了目前謠傳的這個以外還有很多信號的。估計這個可能是前期看到的多個信號中結果最好最明顯的一個或者最早的一個，所以大概像劉博洋說的那樣，不同的人會給出不同的謠傳，大概說的不是同一個信號？

然後剛剛看到論文徹底震驚了，編號是GW20150914！！！這個意思是說這個信號是9月14號探測到的！！！要知道aLIGO的開機時間是9月中旬！！！那這說明剛開機沒兩天就看到了！！！比我之前猜的簡直厲害到不知道哪裡去了！！！

所以這一輪運行一共發現了多少引力波信號正在處理中，我簡直不敢想像啊！

可以想見的是最近針對這一個信號的分析和模擬的文章一定會有一大堆——實際上謠言出來以後就已經有人掛了好幾篇了。而且之後這輪運行的全部數據都發出來之後，那文章定然是雪崩一般啊！

在今晚的新聞發布會之前，先來預熱一下我們可愛的愛因斯坦同志預言引力波過程的一些有趣的八卦。

1915年廣義相對論出世， 1916年愛因斯坦就公布了存在引力波的想法，這是廣義相對論的基本預言，來源於廣義相對論的線性近似，這個近似至今仍然被仍為是合理正確的並用於LIGO的測量中。

然而二十年後，也就是1936年，老愛同志又悄悄改變了他的看法，那時他已經來到美國快三年了。他在給好友Born的信中寫道：

「Together with a young collaborator, I arrived at the interesting result that gravitational waves do not exist, though they had been assumed a certainty to the first approximation. This shows that the non-linear general relativistic wave field equations can tell us more or, rather, limit us more than we had believed up to now.」

意思就是他和某個合作者一起發現引力波是不存在的，之前的線性近似是錯的。這個合作者其實就是他的助手，當時還很年輕，名叫Nathan Rosen，這麼說有人可能還不知道是誰，但大家肯定都知道大名鼎鼎的EPR佯謬，這裡的R就是Rosen。於是老愛就和Rosen很快寫好文章投給了Physical Review，想儘快糾正先前的錯誤認識，投稿時間是1936年6月1日。這是老愛連投給這個雜誌的第三篇文章，前兩篇文章也非常出名，一篇是關於EPR佯謬，另一篇是關於Einstein-Rosen bridge，也就是後來大家更常說的可以做時空旅行的蟲洞。前兩篇文章都沒經過審稿，直接被接受發表了，老愛同志心想老夫出馬誰敢說不，倚天一出誰與爭鋒，呵呵一笑。不過他給文章起的標題還算低調「Do Gravitational Waves Exist?」，設問句的形式，答案當然是「No!」。

當時Physical Review的編輯是John Torrance Tate，此人我不是很了解，但據說他37歲（1926年）就當上了這個雜誌的編輯，剛好是量子力發展的黃金時期，Tate抓住了這個機遇使這個雜誌成為物理方面最權威的雜誌之一。他擔任編輯一直到1950去世。

Tate在給老愛同志的回信中寫道，referee對你的文章結果有質疑，請做出回應。

雖然我不能從蟲洞穿越過去看看老愛同志當時的表情，我想他一定很吃驚然後不屑，或許還有點生氣，他回信中寫道：

翻譯成英語就是

「Dear Sir,

We (Mr. Rosen and I) had sent you our manuscript for publication and had not authorized you to show it to specialists before it is printed. I see no reason to address the - in any case erroneous - comments of your anonymous expert. On the basis of this incident I prefer to publish the paper elsewhere. respectfully,

P.S. Mr. Rosen, who has left for the Soviet Union, has authorized me to represent him in this matter. "

老愛同志說我沒授權你把文章給別人看，看了也就罷了，竟然還質疑，要再這樣，我就把文章投到其他雜誌去了。貌似這是老愛同志第一次被referee質疑，很是不爽。老實說看到這個回復讓我有點驚訝，真是霸氣十足，完全不把別人看在眼裡。

老愛回信的時候Rosen已經去了前蘇聯，10月份新助手Leopold Infeld接替Rosen來到了Princeton。後來在他的自傳里，Infeld回憶起第一次見到老愛同志的情形。當時在場的還有Tullio Levi-Civita，這是一個義大利數學家，擅長張量分析也做過相對論方面的研究。老愛向他們介紹起自己的新發現，引力波是不存在的。作為一名晚輩，Infeld靜靜的聽著他們的討論，但越聽越鬱悶，一個德國人和一個義大利人說著他們自認為還是英語的語言著實難為了這位哥們。

聽著鬱悶歸鬱悶，但這哥們怎麼說也是老愛大神的助手，豈能不積極努力表現一把，馬上就說，他同意老愛的看法，並且給出了自己的一套證明。孺子可教也，老愛摸了一把鬍鬚很是欣慰。

Princeton還有一位相對論專家Howard Percy Robertson，也就是宇宙學中R-W度規中的R（怎麼又是R，呵呵）。當時他剛從Caltech休假回來不久，Infred跟他提起了老愛的新發現。Robertson不愧為專家，表示不相信這個結果而且很快指出了他們證明中的一處錯誤。關於相對論難懂，我們知道有個很流行的段子說世界上只有三個半人懂，那是相對論誕生之初，懂的人確實很少，但時間已經到了三十年代，已經有越來越多的人理解了並在發展應用相對論，Robertson就是其中一個。

受Robertson的提醒，老愛同志很快也意識到他文章中用到的時空度規可以做個變換，在變換後，之前時空中的奇點（這其實是個坐標奇點）就是新度規下的柱面波。所以引力波是存在的，也就是說老愛同志的文章真的錯了。老愛連忙修改自己的證明，當時文章已經投給了另外一個雜誌Journal of the Franklin Institute in Philadelphia。

故事到現在已經結束了，但有一個問題不禁要問：誰是那個referee？

那個referee report保留到了今天，洋洋洒洒一共寫了10頁，標準的美式英語，再考慮到那個時候能對相對論如此熟悉了解，其實候選人很有限，不出意外就是Oppenheimer, Tolman和Robertson中的一個。Oppenheimer大家都知道，幾年後他成為曼哈頓計劃的領導人，美國原子彈之父，當時他還在Berkeley，做了很多黑洞方面的研究，對廣義相對論不可謂不熟悉，著名的Oppenheimer-Snyder黑洞就是他和學生Snyder手把手算出來的。Tolman名氣要小點，他當時是Caltech的化學物理和數學物理教授，後來又轉到相對論和宇宙學方面漸漸成為了專家。第三個就是上面說的Robertson，事情真會這麼巧么？

解決這個疑惑其實很簡單，查一查Physical Review的日誌記錄就清楚了，事實證明這個referee確實是Robertson（見下表第二行）。前面說了Robertson其實是老愛在Princeton的同事，但事有湊巧，他整個1936年的上半年都在Caltech直到8月才回來，這個時候老愛已經撤稿了（或者說被拒了）。這就不難解釋為什麼當Infred跟他提起的時候，他能淡定的指出錯誤。

貌似老愛也不完全是經過Robertson提醒才意識到自己的錯誤的，在最初的文章中，他認為是線性近似不恰當導致引力波的存在，於是他就試圖去找其他類似的線性化不恰當的例子，他的選擇是旋轉對稱的引力場。他的計算草稿在第11頁戛然而止，貌似他覺察到什麼問題了，這也很可能讓他懷疑起自己前面的引力波文章。無論如何，老愛同志總算意識到自己的錯誤並且糾正了，但另一個作者Rosen呢，此時他在前蘇聯，很可能還一無所知。

我們或許能想像當Rosen看見自己的文章以一個不同的標題和結論出現在一個不同的期刊上的表情，簡直是穿越了啊，到底發生了什麼？或許是不甘心，即便看到了原初證明中的錯誤，奇點就是柱面波，他依然堅持平面引力波不存在，後來這個觀點依然被證明是錯的。哎，畢竟引力波之前一直沒有被直接探測到，爭議和質疑是不可避免的。這不，直到戰後，Rosen和Infeld還時不時表態引力波不存在。不過今天，我們終於可以宣稱直接看到引力波了。這距離老愛1916年的文章已經過去整整一百年了。

回過頭看，其實老愛那篇文章歸根結底是想推翻自己之前的結果，自信心十足理所當然，但他對referee的態度確實過於傲慢和霸道，但老愛知錯就改，並不頑固。再聯想宇宙學常數的修修改改以及與波爾的量子力學原理的論戰，他總是在質疑和批判，與人斗與己斗，永遠是那麼可愛。

主要參考資料： http://dafix.uark.edu/~danielk/Physics/Referee.pdf

如何評價誒，重點應該談意義。

最重要的意義有兩點，1. 叕一次驗證廣義相對論是正確的，2. 開闢了天文觀測的新窗口。實際上公眾比較關心第一點，但是第二點更重要。

為什麼呢？從這次發現直接能衍生出來的問題是，類似的幾十個太陽質量或者更大質量的黑洞併合事件的頻率到底有多高？是否能製造出中等質量黑洞？短期內隨著 advanced LIGO 逐漸增加干涉儀在地球上的分布，如果能有朝一日精確定位並且找到電磁波段的對應體就好玩了。更長遠一點看其他引力波波段還可以測量或觀測到很多其他的在電磁波段很難觀測到的現象。這點只能但願 PTA 和 LISA 早日成功。另外就是每次天文學擴展自己的觀測手段都伴隨著出乎意料的發展，誰也不知道引力波天文學能帶來什麼。

坑先挖到這裡，有空好好填

這是廣義相對論最後一塊拼圖，這是時空本身的震動，這是天體物理學的新時代，這是人類邁向宇宙的新起點，這是地球文明睜開雙眼去尋找宇宙終極理論的時刻。

我無法形容今夜的熱血，作為痴迷於相對論和天體的人，上一個冬天，我還在三聯書店做了一個通宵的演算和筆記

如果真的有一天觸碰到物理和宇宙的終極理論，那麼

朝聞道，夕死可矣

這裡有直播：National Science Foundation
PRL上的文章地址：Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)
下載地址：http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.061102
備用下載地址：http://pan.baidu.com/s/1mhq5RxY
底部有彩蛋
Nature官網上面有報道現場的照片：

圖片來自：https://twitter.com/NatureNews/status/697805073779396609

圖片來自https://twitter.com/RichMonastersky

圖片來自：LIGO live: Inside the hunt for gravitational waves : Nature News Comment
左起為：David Reitze, Gaby Gonzalez, Rai Weiss, Kip Thorne
《Nature》的預熱：

圖片來自Einstein"s gravitational waves found at last : Nature News Comment

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為了避免答案被摺疊，上面的各位大牛都普及各種知識了，我只好民科一下LIGO experiment 了：

圖片來自https://twitter.com/hashtag/gravitationalwaves?src=hash
裝置草圖：

圖片來自Einstein"s gravitational waves found at last : Nature News Comment
這個實驗是這樣的：

A single laser beam is split in two, with each beam travelling down one arm of the interferometer
單光束split成兩道，每道都會打到干涉儀的one arm上

然後，在arm底端上安有鏡面，每述光就會被這樣來回bounce，然後recombined。

因為每支arm是等長的4km，所以recombined的laser beam完全cancel out。

當遠距離的激發事件（cataclysmic event ）產生的引力波，比如雙黑洞merging，到達LIGO detector（探測器），時空（space-time）的律動的拉伸（rhythmic stretching and squeezing）會引起探測器管道（pipe）階段性的變化（變長變短）：

那麼結果就是，recombined的beams就不會再互相抵消（cancel out）：

相對的，一種脈衝信號的跡象會被檢測到：

即便因為距離太大，shift很小，並且有很多雜訊的因素存在，不得不改進原有裝置，這花了非常多的金幣：

經過升級版的LIGO instrument還是可以通過大量的實驗檢測得到：

這是他們今天發布的數據：

上述資料參考：Have Einstein"s gravitational waves finally been found?
Explainer: the Advanced LIGO experiment
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好了，民科結束，應該不會刪我答案了，繼續更新：
YouTube上有一個很好地科普引力波的視頻，而且還挺逗的：
https://www.youtube.com/watch?v=4GbWfNHtHRg
這個是New York Times的預熱視頻：
http://www.nytimes.com/2016/02/12/science/ligo-gravitational-waves-black-holes-einstein.html?_r=0
Gaby Gonzalez "We can hear universe!"

Kip Thorne 在介紹LIGO的歷史：

在現場向愛因斯坦致敬：

這是來自中國新華社的報道：

以上圖片都來自https://twitter.com/search?q=%23Einsteinwasright
沒有人會忘記愛因斯坦的傑作：

參考資料：
Gravitational waves: Why they"re such a big deal
LIGO makes gravitational wave announcement today
https://www.advancedligo.mit.edu/
Have Einstein"s gravitational waves finally been found?
LIGO live: Inside the hunt for gravitational waves : Nature News Comment
https://twitter.com/hashtag/gravitationalwaves?src=hash
http://theadvocate.com/news/14836247-123/rumors-of-possible-gravitational-wave-discovery-swirl-in-advance-of-ligos-thursday-announcement
Scientists make first direct detection of gravitational waves
Einstein"s gravitational waves found at last : Nature News Comment
The hundred-year quest for gravitational waves a€」in pictures : Nature News Comment
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彩蛋部分：
APS Physics上有一個專欄，關於廣義相對論的百年紀念：
2015——General Relativity』s Centennial
地址：APS Journals
上面有各樣的子專題和模塊，我知道有的同學可能沒法下載，我這裡提供備用下載地址：

1.Black Hole Infinities

圖片摘自Physics - Focus: The Birth of Wormholes

Soon after Albert Einstein published his equation for general relativity, Karl Schwarzschild found a spherically symmetric solution to it, which today is used to describe static black holes. At the center of a Schwarzschild black hole, the curvature becomes infinite. Einstein and Nathan Rosen tried to explain this singularity as a portal to an extended spacetime, leading later to the hypothetical concept of a wormhole. Martin Kruskal eventually showed that the Schwarzschild solution has a smooth horizon and any singularity remains behind it.

兩篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1bv9TJg
http://pan.baidu.com/s/1bofsNsN

2.Dying Stars and Black Hole Births

圖片摘自：Physics - Focus: &Landmarks&a€」Forgotten Black Hole Birth

J. Robert Oppenheimer and Hartland Snyder studied stellar collapse using general relativity along with a model of the star』s neutron core. They concluded that continued gravitational collapse could not be prevented for a large enough core. Rather, the star would continue collapsing, curving spacetime ever more drastically around itself, forming what later would be called a black hole. They concluded that 「The star thus tends to close itself off from any communication with a distant observer; only its gravitational field persists.』』 Oppenheimer and Snyder thus proposed a plausible scenario for the formation of black holes as an end result of stellar evolution. It would take another two decades for the concept of black holes to gain widespread acceptance.

一篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1gelq291

3.Spinning Black Holes

圖片來自Physics - Focus: &Landmarks&a€」The Curved Space around a Spinning Black Hole

In 1963, nearly half a century after Schwarzschild』s spherically symmetric solution to Einstein』s equation, Roy Kerr obtained an exact solution describing cylindrically symmetric black holes. Kerr』s unique solution is characterized by two parameters, the mass and angular momentum, of the black hole. Since astrophysical bodies typically spin, Kerr』s solution was a major step forward in connecting exact general relativity solutions to realistic astrophysical objects.

一篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1c0ZRhYg

4.Disturbing a Black Hole

圖片摘自：http://www.istockphoto.com/photo/black-hole-gm477608572-66788975

How stable are black holes? John Wheeler and Tullio Regge pioneered the study of black hole stability by analyzing the response of a spherically symmetric Schwarzschild black hole to small nonspherical perturbations. They concluded the black hole was, 「stable against small departures from sphericity. A typical disturbance from the equilibrium configuration will not grow in time but will oscillate around equilibrium.」

一篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1eQXLmka

5.Black Hole No Hair Theorem

圖片摘自http://www.istockphoto.com/photo/supermassive-black-hole-at-the-milky-way-galactic-center-gm522489079-50815886?st=55c8057

Werner Israel proved that Schwarzschild black holes have no 「hair」—no distinguishing properties other than their mass. This result was soon extended to the cases of spinning and electrically charged black holes and led to the 「no hair theorem」: All black hole solutions of general relativity can be completely characterized by just three externally observable classical parameters mass, electric charge, and angular momentum.

一篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1o7ozMAY

6.Modifying General Relativity

For over four decades general relativity remained the only theory of gravity compatible with observational data and the weak equivalence principle. This changed in 1961 when Carl Brans and Robert Dicke published a modification of general relativity. The Brans-Dicke theory replaced the inverse Newton』s constant by a field that fluctuates across space and time and has a dimensionless parameter that can be tuned to fit observations. This work showed that general relativity could be embedded into a broader class of models and opened the door to studies of modified theories of gravity. It also allowed for characterization of deviations from general relativity that could be tested observationally.

一篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1bwpYb0

7.Looking at the Whole of Spacetime

圖片來自：File:Penrose.PNG

Two theoretical breakthroughs paved the way for global analyses of spacetime structures without the need for specific solutions of Einstein』s equation. In 1955 Amal Kumar Raychaudhuri introduced evolution equations for curves describing the flow of nearby point particles without making assumptions about the homogeneity, or isotropy of the background spacetime. A few years later Roger Penrose proposed an extremely powerful diagrammatic technique for capturing the global causal structure of any spacetime. These techniques allow the global properties of spacetimes to be gleaned. For example, Penrose was able to show that, rather than being artifacts of specific solutions, spacetime singularities are a generic outcome of gravitational collapse.

三篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1jHfeHZw

8.Black Holes Meet Quantum Mechanics

General relativity confronted quantum mechanics in the 1970s. The pioneering work of Stephen Hawking showed that quantum fluctuations cause black holes to radiate. Black holes, it was realized, are thermal objects carrying a notion of temperature and entropy. The thermal nature of black holes exposed a remarkable tension between general relativity and quantum mechanics—two pillars of modern physics. Thermal radiation from black holes suggests a loss of information inconsistent with one of the foundational tenets of quantum mechanics, unitary time evolution. The search for a resolution of this tension continues to drive the quest for a consistent quantum theory of gravity.

五篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1pKhCnMj

9.General Relativity on a Computer

圖片來自http://www.istockphoto.com/photo/supernova-gm172205407-241043?st=624d207

Only in rare cases can the highly nonlinear equations of general relativity be solved analytically. Many interesting questions in general relativity call for approximations and computational techniques that yield accurate answers when analytic methods are not available. Two seminal successes in answering that call are the Choptuik scaling laws of gravitational collapse and the three papers that revolutionized numerical relativity.

四篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1i3R98MD

10.Confronting Dark Energy

While the cosmological constant is just a parameter in classical general relativity, in quantum field theories the 「constant」 becomes dynamical and astronomically large. Steven Weinberg』s now classic review provided the clearest statement of the cosmological constant problem: The small observed bound on the cosmological constant is hard to reconcile with theories of particle physics, which predict it should be many orders of magnitude larger. Today, this problem is central to the puzzle of dark energy.

一篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1eQQtGn4

11.Birth of Inflationary Cosmology

圖片摘自Physics - Focus: &Landmarks:& The Inflationary Universe

Cosmological inflation, a brief period of exponential growth of the early Universe, was proposed by Alan Guth, and expanded upon by others, to explain some of the puzzling features of observational cosmology (the homogeneity, isotropy, and flatness of the Universe). These papers collectively represent some of the key initial developments of the theory.

四篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1i3N5Nb3

12.Structure in a Homogeneous Universe

Cosmology on large scales is described by Friedmann-Robertson-Walker spacetime, which describes the evolution of a homogeneous and isotropic Universe. Yet, everything we see, from stars to galaxy clusters, is due to perturbations of this background metric. James Bardeen addressed how these physical perturbations can clearly be disentangled from mathematical artifacts.

一篇經典：

下載地址：

13.Testing General Relativity Experimentally

圖片來自：File:Geodetic effekt.jpg

Tests of general relativity are notoriously difficult, due to the small size of general relativistic corrections to Newtonian gravity in the weak field limit. Yet, ingenious experiments continue to be devised and performed, which so far confirm the theory.
General relativity predicts that photons going up (down) in a gravitational field are red-shifted (blue-shifted). Robert Pound and Glen Rebka managed to confirm this tiny (1 part in 10^15 ) effect over a drop of only 74 feet. A later test by Robert Vessot et al. verified the shift over a distance of 10,000 km.
General relativity is based on the equivalence principle, which implies that gravitational and inertial masses are the same. Over the years, several groups have tested the equivalence principle to high precision, notably in a recent series of elegant experiments by Eric Adelberger and colleagues.
Some modified theories of gravity, such as Brans-Dicke theory, violate the equivalence principle, at least in its most stringent form, due to the Nordvedt effect. This is where the self-energy of a body contributes to its gravitational mass, but not to its inertial mass. This effect becomes important only for very massive bodies, and thus requires astronomical tests, such as the lunar lasing tests of James Williams et al.

五篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1o7amI4E

14.Testing the State of the Art in Cosmology

圖片來自Physics - Viewpoint: A distorted view of the early universe

Cosmology has entered a precision era. The standard model of cosmology, based on cosmological-constant dark energy and cold dark matter (the ΛCDM model), has withstood many precision tests. Max Tegmark et al. used the power spectrum of galaxies and the cosmic microwave background to greatly constrain cosmological parameters, including the age of the Universe. Sudeep Das et al. were the first to show effects on the cosmic microwave background of gravitational lensing—an Eddington experiment on the scale of the observable Universe.

兩篇經典：

下載地址：http://pan.baidu.com/s/1jHjOpTk

占坑，早上起來填
不過面對一群比我專業得多的，我好像也沒什麼話說啊QAQ

先放之前寫的總結：

LIGO發布會簡單總結：
We have detected gravtional waves. We did it！
首先，介紹LIGO這個項目經歷的時間（前後總共50年），最後直到2015年9月14日檢測到這次引力波的集中釋放。這次LIGO檢測到的是13億光年外兩個恆星級黑洞的碰撞，根據之前的觀測和理論計算，這次的觀測結果和預計相符，而且很清晰（very specific characteristic），又經過數月的檢查，確認這個信號確實來自於這兩個黑洞而非儀器問題或者其他物理源，證明這確實是一次被直接觀測到的引力波傳播現象。
隨後兩個視頻演示了黑洞合併的過程和其中的引力波釋放過程，簡而言之就是運動質量對空間（準確來說是時空，spacetime）的拉伸和壓縮，這是LIGO第一次觀測到雙黑洞合併以及其產生的引力波。兩個黑洞的質量在36倍太陽質量和29倍太陽質量左右，合併之後的黑洞質量為62倍太陽質量，還有3個太陽質量以引力波的形式釋放。黑洞合併的過程達到光速的一半，使得釋放的引力波時長處於毫秒級，但依然被觀測到了。
LIGO位於路易斯安那Livingston Parish的LIGO Livingston觀測點，和華盛頓 Hanford的LIGO Hanford觀測點幾乎同時檢測到了強度基本一致，而且符合預測的引力波。更為關鍵的是，LIGO不僅看到光線的變化，而且聽到了引力波，因為引力波的波長處於人耳可以聽見的範圍，也就是說：
We begin listening to the universe.
隨後介紹了LIGO這個項目的情況，即兩個觀測點，以確保觀測誤差和干擾儘可能小，做一份雙保險。除此之外，德國的一個聯網的觀測站也已經啟用。LIGO網路還將建立兩個觀測站，和在印度規劃的LIGO India站，組網觀測引力波。LIGO通過一個原理即邁克爾遜干涉儀的裝置，將光按波長分束並形成干涉，然後通過檢測引力波扭曲時空造成的光的扭曲來檢測引力波的存在。這種扭曲的尺度大約在10^-18m的數量級，對應的LIGO的設施長度達到了4km。LIGO還通過一種原理是擺錘的手段消除雜光的干擾。
引力波是愛因斯坦基於其廣義相對論預言的質量在加速過程中釋放的波，廣義相對論發表至今已有100年，也正好在此時驗證了愛因斯坦的最大的預言。
最後，著名黑洞研究專家基普索恩還說明了引力波探測研究的前景。目前真正開啟並已經有了發現的引力波探測窗口就是LIGO關注的毫秒級窗口（時間窗口），另外對大尺度的觀測，有位於南極的BICEP探測器，這個探測器曾「發現」原初引力波的存在但後來被證明是銀河系內塵埃的干擾。不過在接下來的10~20年內，分鐘到星期、數年到數十年以及更長時域的窗口也會陸續打開：空間探測器能夠探測天內到數星期的引力波變化；地面射電陣列能檢測引力波數年的變動；而早期的引力波探測目前仍由BICEP主導。
最後的問答環節略。

三句話總結：
1.人類直接發現了引力波，人類牛逼！
2.這是美國主導的，美國牛逼！
3.你們看這很牛逼吧，國會你再給點錢？

We have detected gravitational waves. We did it！

以上內容如有問題，敬請批評指正，謝謝！

LIGO官網上的新聞稿出來了。

http://www.ligo.org/news/pressreleases.php

PRL上的引力波探測文章也已經出來了。

相關科普介紹，可見http://zhuanlan.zhihu.com/Mrfox/20565373

本文亦載於專欄 http://zhuanlan.zhihu.com/Mrfox/20567515

我下面簡單介紹一下PRL上文章的內容。

這次觀測到的引力波事件，是由一個36太陽質量和一個29太陽質量的黑洞合併發出的。合併後的黑洞質量62太陽質量，說明有3個太陽質量的能量以引力波的形式放出（誤差0.5太陽質量）。探測的可信度是5.1個sigma,按照物理學界慣例，可以被稱作發現。統計上講，這個顯著度意味著203000年才會生一次由雜訊造成的誤判。

這個引力波源，遠遠在銀河系之外，距離我們410Mpc（誤差+180-160Mpc)，差不多是12億光年外（紅移0.09，光度距離）。比較一下的話，這個距離差不多是我們到最近星系團室女團距離的二十多倍，是銀河系大小的16000倍。

整個引力波觀測過程0.4秒，其中雙黑洞合併的一瞬間只有0.05秒（下圖2）。雙黑洞合併幾乎在一瞬間就將3太陽質量等效的能量以引力波形式發射出去，功率頂峰高達200太陽質量/秒。什麼意思呢，這是全宇宙恆星功率和的50倍。所以雖然我們看不見，甚至很難感覺到，但是引力波確實是宇宙中強大的能量事件。

合併前大黑洞的自旋是0.7（自旋標示了黑洞轉動的角動量，最大為1.但理論上一般認為最大自旋只能到0.998，有自旋的黑洞可以拖曳周圍空間迴旋）。觀測對小黑洞的自旋限制不強。合併後黑洞自旋為0.67.

這次觀測對引力子(graviton)質量和波長有個下限限制，這個限制比星系團和引力透鏡觀測的限制稍微松一些（後兩者的限制有模型依賴），也就是還沒有什麼實際意義。

觀測對宇宙中的黑洞合併率也有限制，但是因為只觀測到一次事件，這個限制也不是很緊密。

但是有一個很有意思的是這次發現的引力波事件的兩個黑洞質量都很大，過去研究者們有爭論是否恆星死亡能夠形成這麼大的黑洞有爭議。這次觀測對恆星演化最後階段的物理給了很強的信息。

圖一，橫軸是時間，第一列左側的圖顯示了華盛頓州LIGO探測器的引力波觀測信號，右側是路易斯安那州的另一個探測器的觀測圖樣。在右邊圖中，作者也描上了左側的信號。可以看到兩個信號非常一致。說明觀測比較可靠。兩組觀測相差6.9毫秒（因為兩組探測器位置相差3000公里）。第二列是理論模型。最後一列是信號的頻率隨時間的變化。

圖二，上圖上半部是黑洞合併的過程。繞轉，漸進，合併產生變形的黑洞，最後黑洞形變消失。下半部的紅色震蕩曲線顯示了相應的LIGO觀測信號。

文章最後說一大波文章已經出來了（因為聽說了之前的傳言），另一大波文章正在路上。我很同意很多評論的朋友，人類確實又向前走了一大步。

『Woohoo!』 email stokes rumor that gravitational waves have been spotted

Woohoo! email stokes rumor that gravitational waves have been spotted

For weeks,gossip has spread around the Internet that researchers with the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) have spotted gravitational waves—ripples in space itself set off by violent astrophysical events. In particular, rumor has it that LIGO physicists have seen two black holes spiraling into each other and merging. But now, an email message that ended up on Twitter adds some specific numbers to those rumors. The author says he got the details from people who have seen the manuscript of the LIGO paper that will describe the discovery.

"This is just from talking to people who said they"ve seen the paper, but I"ve not seen the paper itself," says Clifford Burgess, a theoretical physicist at McMaster University in Hamilton, Canada, and the Perimeter Institute for Theoretical Physics in nearby Waterloo. "I"ve been around a long time, so I"ve seen rumors come and go. This one seems more credible."

According to Burgess"s email, which found its way onto Twitter as an image attached to a tweet from one of his colleagues, LIGO researchers have seen two black holes, of 29 and 36 solar masses, swirling together and merging. The statistical significance of the signal is supposedly very high, exceeding the "five-sigma" standard that physicists use to distinguish evidence strong enough to claim discovery. LIGO consists of two gargantuan optical instruments called interferometers, with which physicists look for the nearly infinitesimal stretching of space caused by a passing gravitational wave. According to Burgess"s email, both detectors spotted the black hole merger with the right time delay between them.

這篇文章大致的意思是：

網上已經傳開了關於LIGO已經探測到引力波的消息，在Twitter上有一則消息顯示了更加具體的內容，賬號擁有者收到了一封，來自加拿大哈密爾頓McMaster大學理論物理學家Clifford Burgess的Email。這封Email就如截圖所示，Clifford Burgess表示雖然他自己並沒有看過，但是他從已經看過LIGO這篇論文草稿的人那裡得到了更進一步的消息。這篇論文的正式稿如果沒有問題的話會在2月11號的Nature進行發表。

消息顯示，LIGO的研究者們已經從引力波中能夠看到了兩個黑洞的合成過程，信號大概是5.1的sigma置信度。這兩個黑洞大小分別是36和29個太陽質量，合併完成後的大小是62個太陽質量。

LIGO"s prime target has been the death spiral and merger not of two black holes, but of two neutron stars. However, Marc Kamionkowski, a theoretical physicist at Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, says the signal from the merger of more-massive black holes should be stronger and detectable from a greater distance. Other, less specific rumors suggest that LIGO has seen more than one source.

As to the origins of the email, Burgess says he sent it to the entire McMaster physics department to alert his colleagues and especially students of what might be coming: "It"s one of those big events where the students may be a little bored by what they are doing in class but they may be excited by this."

雖然LIGO主要的目標其實是中子星的合併過程，但是另外一個約翰霍普金斯的理論物理學家Marc Kamionkowski表示，實際上質量更加大的黑洞的合併過程所釋放出來的引力波，在長距離上更加適合被探測到。還有一些消息指出LIGO探測到了不止一個引力波源，但現在還無法確定。

在Email的的最後，Burgess還表示當他把這則消息發給系裡面的同事和學生的時候，這將會成為一則大發現。這類大發現通常會讓學生對課堂上所做的事情感到非常無趣，卻對這則消息感到非常的興奮。

下面有人評論道：

29 + 36 - 62 = 3 solar masses of gradational energy released - in a few minutes, which is quite a bit of energy.

在幾分鐘內釋放了3個太陽的質量，確實是很大一筆能量。

相關：非物理系天文愛好者

天文學家終於開始用耳朵了。

然而目前處於耳背。

轉發自我的專欄 http://zhuanlan.zhihu.com/zqyin/20564088

引力波的發現，從天文或者宇宙學角度看，類似於發現微波背景輻射；從物理學角度，類似於當年從實驗上證實電磁波的存在。據說當年剛發現電磁感應時，面對質疑，法拉第說，一個剛出生的嬰兒，你不知道未來他會有如何廣大的前程。電磁波就是當年的嬰兒，現在的巨人。未來引力波是否跟電磁波一樣有重大的應用價值，很難預測，但可以想像。更何況引力波現在處於即將臨盆的狀態，還不是嬰兒呢！

筆者並非黑洞物理學或者引力波的專家，但是由於研究光力學，對引力波的實驗探測也一直都很關注。據我所知，對引力波的實驗探測立項有三十多年了。在1981年，加州理工的C. M. Cave寫過一篇理論文章，深入的分析了如果要用邁克爾遜干涉儀來探測引力波，所要客服的各種雜訊，他還討論了量子雜訊對測量的影響。這篇論文成為了後來LIGO項目的立項重要基礎之一，當時Caves剛剛博士畢業兩年（導師是Kip S. Thorne），已經完成了如此重要而系統研究，真是英雄出少年。在學術上要迅速成長，一定要儘早參與或者承擔最前沿而重要的科研項目。

Caves的理論認為，要提升干涉儀的靈敏度，最好能把干涉儀的鏡子質心振動態做到量子壓縮態，這樣可以突破其對位置的測量精度的量子極限。而要實現這一點，需要我們在實驗上製備出量子壓縮光。面對理論上的需求，實驗家們很快行動起來。當時，吳令安、彭堃墀和肖敏等人正好在德州大學奧斯丁分校的Jeff Kimble組念博士（訪問學者），他們一起，最早實現了壓縮光源，這個技術最近已經應用到了引力波探測中。後來吳令安回到了中科院物理所做研究員，一直從事量子光學的研究，較早的演示了量子保密通訊以及鬼成像等。彭堃墀回到了山西大學，創立了山西大學光電研究所，進一步的優化壓縮光源，他們做的壓縮光一直處於世界前列。彭堃墀後來被評為中科院院士。肖敏後來在美國阿肯色州立大學做教授，2009年，受國家「千人計劃」的資助在南京大學創立了一個研究組，研究量子光學相關的課題。引力波探測這個項目，間接的促進了3位中國物理學實驗專家的迅速成長。不僅如此，以這個項目作為背景，人們對光與宏觀機械振子之間的相互作用產生了濃厚的興趣，所發展的相關技術，為實現宏觀系統的量子疊加態提供了重要的技術支撐。

《星際穿越》中的蟲洞

1984年，在加州理工的Kip S. Thorne教授等人推動下，探測引力波的LIGO開始啟動，這是美國的自然科學基金會資助力度最大的一個項目。項目一直持續了30多年，現在終於結出了碩果。Thorne是費曼的師弟，惠勒的學生，他31歲就當選美國科學院院士。如此年輕就獲得了他人需要奮鬥半輩子的榮譽，使得他能夠在四十齣頭就有足夠的影響力來推動LIGO項目。他也是與科普以及科幻聯繫很緊密的物理學家。在1985年，他就幫助卡爾. 薩根在其科幻小說《超時空接觸》中提出用蟲洞來實現星際旅行。這本小說後來在1997年拍成同名的電影，影響很大。Thorne本人，則撰寫了數篇學術論文，論證了蟲洞如何才能穩定的存在。後來他對蟲洞一直念念不忘。在2009年退休後，他深入的參與電影《星際穿越》，把蟲洞這個理論上的模型在電影熒幕上精準的表現了出來。

在我看來，Thorne之所以一直與美國科普以及科幻界保持密切的聯繫，某種程度上也是為了公共宣傳，樹立正面的形象，從而給LIGO項目籌集所需的資金。確實，要說服公眾花錢去觀察若干光年之外、與我們的現實生活毫無關係的黑洞融合所發射出的引力波是很難的。Thorne 通過多年來與科幻電影的深度合作，把相關的科學概念無縫植入了電影等媒介中，潤物細無聲的影響了公眾，為LIGO項目持續的獲得充足的資金資助做出了重要的貢獻。如果我們中國要做一個類似的研究項目，一流的科學家們要主動的走出來，與媒體以及娛樂圈合作，將科學與電影電視等娛樂產品融合起來。一流的學術研究成果，也許暫時沒有太多實際用途，但是一旦與娛樂結合，肯定能豐富人們的精神生活。

這是本系引力大佬、Quantum loop gravity的開山鼻祖Ashtekar昨晚群發的郵件。自己感受一下吧。另外，美國東部時間二月十一號早上坐等大新聞！

額，雖然我是個物理學生，但是我個明確的表示我也看了個一知半解.

但是，這不是重點，重點是那些說炒作和不屑一顧的人！

首先，這並不需要炒作！這是一次肯定能產生3位諾貝爾獎獲得人的發現. 他的重要程度是超過higgs boson的發現.

第二，對幾千人耗時那麼多年出來的成果不屑一顧這並不能提升你自己的高度，反而只會顯示自己的膚淺，最基本對科學的尊重都沒有么？

我們老師平時都是很嚴謹上課的人，基本上沒浪費過課堂時間. 但是直播之前一天，2月10號，他很激動的告訴我們，早上7點半要來學校，看11號早晨的發布直播. 因為我們比東海岸早3個鐘頭. 然後他花了大半節課在講這次發現如果是真的話代表了什麼意義. 他本身是天體物理學家，所以對之特別興奮.

anyways. 你可以不理解，或者漠不關心，但是那種不屑的態度不是對待人家辛苦科研成果應該有的態度！

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更新線
很多評論在講怎麼對比重要性，額，抱歉，我只是搬我老師的原話來的. 既然說不出來何必搬過來呢？
好吧，我是看了那麼多不屑評論後有點小憤青說的，各位partical physicists莫見怪. 此為我個人看法，就算否認這個觀點的知友們也都是對科學有敬畏態度的人，你們依然很受我尊敬

看到這個新聞激動了一陣子，然後突然想起來我也參與過Einstein@home，這個項目是利用計算機cpu的閑暇時間計算LIGO採集到的與引力波相關的觀測數據

Einstein@Home 項目基於 BOINC 平台，設計目的是利用志願計算的威力來處理分析 LIGO 和 GEO600 採集的海量觀測數據，以從中尋找引力波存在的證據。

所以我也可以說為這次引力波的發現做過一點點微小的貢獻，真的是更激動了呢(～￣▽￣)～
這個項目的鏈接在這裡
Einstein@Home

大家感興趣的可以試一試，因為這個項目有一個很炫酷的屏保

別人看到這個問你在幹嘛，你就可以說——
我在參與一項可以改變人類的項目&<(￣︶￣)&>我們每個人的一小步加起來就能成就人類的一大步

很激動
仰望星空多了一雙不同的眼睛

不過，諾貝爾獎什麼的，在引力波三個字面前，完全不值得一提啊

雙黑洞合併之引力波、雙中子星合併之引力波，填補廣義相對論最後一塊拼圖，其影響既深且遠。但我們看待引力波的姿勢必須合理，看待廣義相對論的姿態必須科學。

新聞中反覆說，LIGO、Virgo探測到引力波，意味著廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」被填補了。這話說得沒錯，但給人一種這樣的感覺：既然最後一塊缺失的拼圖被填補，那不就意味著沒有缺失了嗎？那廣義相對論豈不成了盡善盡美之引力理論了嗎？本文試著對此展開討論。

本文也是對上一次問題「如何理解引力波」回復的進一步深入。

一、引力波：廣義相對論的最後一塊拼圖

我在這裡先解釋一下，什麼叫廣相的最後一塊拼圖（下文將廣義相對論簡稱為「廣相」）。就是愛因斯坦本人和其他物理學家根據廣義相對論先後提出了四個預言：第一、光線在引力場中會發生偏折；第二、光譜線在引力場中會發生紅移；第三、宇宙中存在黑洞；第四、宇宙中存在引力波。

前兩個很快就得到了證實。而黑洞雖然沒有直接觀測到，但已經發現了大量黑洞存在的間接證據，所以黑洞的存在性在科學界也基本達成一致。最後就剩下了引力波這個預言了，是所謂廣相預言的最後一塊拼圖。為啥它落在了最後，因為它的信號太微弱，難以探測，所以LIGO探測到引力波，的確是里程碑的。確實可以稱之為：廣相實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」被填補了。其影響無疑是巨大的，因此獲得了高度評價。

但是，大家想一想，LIGO之所以能夠填補廣相的一塊拼圖，還有一個更大的原因，就是廣相的拼圖就太少了。廣相一共才有四個預言，也就是說才有四塊拼圖，那當然容易拼完整。我們不妨思考一個問題：預言少的理論牛叉、還是預言多的理論牛掰？當然是預言多的。你預言越多，說明這個理論越強大，同時它得到檢驗的機會也越多，被證實或證偽的可能性也就隨之增大。而廣相才四個預言，即便都被證實了，似乎也不是很給力，對吧？

說極端一些，如果當時廣相就只能預言光線在引力場中會發生偏折，而且這個馬上就得到了驗證，那能不能說廣相早就徹底OK了，更早的獲得完全確認了？當然不是。如果是的話，沒做任何預言的理論豈不成了最完美的了？試想想，如果廣相能作一百個預言，現在已經證實了80個，那也要比4個預言全都證實要強得多得多。

那廣相的預言為什麼那麼少？絕不是因為廣相不厲害，是因為那個引力場方程太難求解，各種規律蘊含在其中，還沒有暴露在我們面前。再加上，實驗物理學家由於技術條件所限，跟不上廣相的各種高端要求。

二、與廣義相對論相競爭的其他引力理論

相關的實驗數據越少，就意味著相關的理論越容易拼湊。這個不難理解，去拼湊一個解釋三、四個實驗數據的理論要比去拼湊一個解釋100個實驗數據的理論要容易的多。

所以，自從愛因斯坦成功構建廣相之後，就有人跟風，去拼湊新的引力理論。其中最為著名的有BRANS-DICKE的標量-張量理論，WILL-NORDTVEDT的矢量-張量理論，LIGHTMAN-LEE的雙度規理論等等。

1. 四大引力理論的PK

那麼愛因斯坦的廣相與這三個理論相比，誰更厲害？那就看誰的預言更符合實驗觀測。但現在的問題是，實驗觀測數據太少，凡是已經觀測到的，這四個理論都可以解釋，包括都預言了引力波。

既然都預言了引力波，那LIGO、Virgo探測到引力波到底是哪個理論的成功呢？這就讓我們吃瓜群眾就有些為難了。

當然這個四個理論總是有區別的，那就是用了不同的度規，就是度量的規矩不一樣。這導致很多預言在數據上有差異，但目前的實驗觀測沒法去鑒定這種區別。什麼意思？

我們這裡就用光線偏折的例子來說。首先，這裡必須要說明一下，光會在引力下發生彎曲並非愛因斯坦的首創。早在1704年，持有光微粒說的牛頓就指出，大質量物體會令光線彎曲，為啥，萬有引力也。後來有人根據牛頓理論算出光線經過太陽邊緣會有0.875角秒的偏折，而愛因用廣相算出的是1.74角秒。哇，差別好大，這是不是就有好戲看了？再後來，到了20世紀60年代，剛才說的BRANS-DICKE的標量-張量理論也預言了光線彎曲，而且計算出這個偏折是1.6角秒，與愛因的1.74角秒也是有差別的。

到底誰正確，是騾子是馬拉出來遛一遛。可以說天文學家這麼多年來不斷地改進技術和方法，對經過太陽邊緣的光線反覆進行觀測，目前最新的實驗觀測是1.66。怎麼都不吻合？實驗觀測總是有誤差的，這個1.66的誤差是在正負0.18之間，也就是說，只要落在1.48到1.84的這個範圍的理論預測，都是符合實驗觀測的。這樣牛頓的0.875就徹底出局了，而愛因斯坦1.74和BRANS-DICKE的1.6都落在了誤差範圍之內。那這兩個理論誰更勝一籌，就要等待更加精確的實驗手段和觀測數據。

既然四大理論旗鼓相當，為啥愛因斯坦人人皆知、廣義相對論光照環宇，而那三個理論、一般人咋就沒聽說過？原因很簡單，因為人家愛因是首發，後面的是跟風的；引力波也是愛因斯坦首先預言的，那三個也是跟風的。正如黑格爾所云：第一個把女人比作花的是天才，第二個把女人比作花的是庸才，第三個就是蠢才。當然黑格爾這話說得太過分，太黑人。其實人家那三個也是非常非常厲害的，只不過就目前來說，尚不能與愛因斯坦相媲美。這愛因斯坦在人類歷史上，第一次提出時空可以彎曲，這種石破天驚、這等腦洞狂開，要想超越，絕非易事。

2. 廣相與BRANS-DICKE理論的優劣比較

我們在這裡不妨將廣相與BRANS-DICKE標量-張量理論做一個對比。

先隆重展示一下廣義相對論中的引力場方程，或稱愛因斯坦方程：

關於這個方程的構建思想和構建過程，我在上一次問題「如何理解引力波」的回復中有詳細展開，我們此番只是欣賞一下它的氣質。這個方程狀貌相當驚艷，左側是：時空曲率的組合（其中的度規張量gμν、里奇張量Rμν和曲率標量R都是表達時空彎曲程度的，也就是表示曲率的），右側是：係數乘以物質能量動量張量（Tμν就是能量動量張量，前面的係數中含有萬有引力常數G，分母上的c當然是光速）；該方程就非常直觀地顯示出，物體的存在導致了時空的彎曲，而物體又是以質量和能量來顯示自己的存在，那麼質量和能量的分布就決定了時空彎曲的程度，這樣兩者之間就建立了一個等式關係。

別看愛因斯坦方程如此的簡潔明快，但它卻深藏了令人震撼的宇宙密碼，每搞出一個特解，都令人震撼，什麼黑洞、蟲洞都是從這個之中解出來的。

愛因斯坦就是通過求解自己的引力場方程，從而得到曲率波的解，也就是預言了引力波的存在。求解的具體過程請參閱上一次問題「如何理解引力波」的回復。

而在BRANS-DICKE理論中，不只是有物質能量動量張量，還引入了一個標量場Φ，難怪稱之為BRANS-DICKE標量-張量理論。我們不妨先欣賞這個標量-張量的引力場方程：

顯然，我們看到，方程左側依然是時空曲率的組合，而右側是係數乘以（物質能量動量張量+標量場Φ）。這意味著，BRANS-DICKE認為，是物質質量和標量場Φ共同令時空彎曲，當然這個標量場Φ也是由物質場所引起的。不難想像，這個方程也能得出引力波的解。

我們打眼一看，僅從數學形式上來說，BRANS-DICKE理論的方程沒有愛因斯坦方程簡潔優美。還可以發現，愛因斯坦方程中引力常數G在BRANS-DICKE方程中被標量場Φ所取代，Φ是隨著時空變化而變化的，也就是說BRANS-DICKE不再認為萬有引力常數是一個常量，而是一個變數，這是它與廣相的重大不同。

另外，BRANS-DICKE理論的方程中還蘊含了一個參數ω，是所謂「BRANS-DICKE耦合常數」，這是一個可調參數，而廣相中是沒有可調參數的。這也是BRANS-DICKE理論的一個劣勢，為什麼呢？你有一個可以調整的參數，那當然容易就和實驗結果匹配上啊，因為你可以通過調整這個參數來調整計算結果。這樣，BRANS-DICKE理論就難以證偽了。在科學中，越容易證偽的理論越有說服力。所以，雖然廣相和BRANS-DICKE理論都符合實驗觀測，但更容易證偽的廣相就更有優勢。

但是，我這裡要轉折了，BRANS-DICKE理論是完全遵從愛因斯坦極度推崇的馬赫原理，而廣義相對論卻與馬赫原理有衝突，這正是BRANS和DICKE二人對自己理論有信心的一個原因。關於馬赫原理，我在後面再展開介紹。

三、有撓的引力理論

偉大的愛因斯坦深深地明白：人類科學距離終極真理還非常遙遠。事實上，愛因斯坦的廣相只考慮了時空的彎曲，並沒有考慮時空的扭曲，也就是只考慮了曲率，沒有考慮撓率。也就是說，不只是物質質量在影響時空的幾何，自旋也在影響時空的幾何，這是愛因斯坦沒有考慮的。

所謂曲率刻畫了時空的彎曲程度，而撓率代表了時空的扭曲程度。考慮了撓率的引力理論，稱之為有撓引力理論（MAG，度規聯絡引力），要比廣相複雜的多。

既然廣義相對論已經是簡潔優美的了，為何還要去搞什麼有撓的引力理論呢？換句話說，時空真的有「扭曲」、有「撓」嗎？理論上推測，不僅質量（由此派生出來的能量動量張量）影響時空幾何，自旋也影響時空幾何，這是愛因斯坦先生所沒有考慮到的。說的更學術一些，物質是由質量和自旋來標示，所以物質能量動量張量密度和自旋密度共同決定了時空結構。而廣相只考慮了物質的能量動量張量，而沒有考慮自旋，所以說廣相應該是不完備的。

自旋是什麼？就電子來說，可以先說成是：電子一邊繞原子核旋轉，一邊還自轉；但其實這種說法是錯誤的，電子的自旋並非宏觀的旋轉，而是一種人類無法理解的內稟屬性；自旋是為了解釋光譜分裂等實驗，意識到電子不只是有三個自由度的粒子，還應該再加一個自由度、再加一個參數，才好解釋雙分裂。除了電子，光子、中微子和夸克等基本粒子都有自旋。

時空的撓率有兩個來源：一是基本粒子的自旋，二是宏觀物體的轉動。也就是說，物質不僅使得時空彎曲，還使得時空扭曲。這樣，有撓理論的引力方程的思路就必然是：時空曲率與撓率由場源物質的能量動量張量和自旋張量共同決定。具體這個方程的形式我們這裡就不呈現了，實在是太複雜了，而且其引力場方程是兩個。

更過分的是，有撓理論還有兩大流派：一種認為，是由愛因斯坦方程與楊振寧方程共同組成的，前者就是那個表達曲率與質量關係的廣相引力場方程，而後者就是表達撓率與自旋關係的方程（即所謂「楊振寧方程」）。

但另一種流派認為，事情沒有那麼簡單，認為質量在同時影響曲率和撓率，而自旋也在同時影響曲率和撓率，這樣就要形成如下形式的方程：

方程1：時空曲率與撓率的第一種組合 = 物質能量動量張量

方程2：時空曲率與撓率的第二種組合 = 物質自旋張量

第二個流派顯然更有檔次，但也更複雜。

雖然物質的自旋可令時空扭曲，但這種扭曲程度很低，也就是撓率很微小，這使得測量觀測撓率的直接效應還不太可能，因為稍微一丁點兒背景干擾，都能將可能的撓率覆蓋了。這正是有撓引力理論尚未取代廣相的重要原因。目前需要等待更高精度的實驗，才能最終斷定時空是否有撓。如果我們的儀器更精密一些的話，或許LIGO、Virgo探測到的引力波的波形中就能發現「撓」。

綜上，簡單地說，質量導致時空的彎曲，自旋導致時空的扭曲；曲率刻畫時空彎曲，撓率刻畫時空扭曲。只有同時考慮質量和自旋的有撓引力理論才是對宇宙更正確的描繪。

如此說來，愛因斯坦方程只是某種特殊情況下成立的方程，它只是某個更普遍方程的蛻化。就如同牛頓萬有引力定律是弱場蛻化下的愛因斯坦方程一般。說得更具體一些，一個更普遍的方程不但要考慮質量和曲率，還應該考慮自旋和撓率。而愛因斯坦方程只不過這個方程的一個投影而已，或者說是這個方程的一種特殊情況。

總之，科學沒有止境。或許，一個實驗結果可以推翻一個理論，但一百個實驗結果也無法百分之百證實一個理論，這就是科學，一個在質疑和否定中前進的科學。

即便偉大如廣義相對論，也難逃被質疑的命運，即便在引力波已經探測到了的今天。

萬丈高樓平地而起，如果地基不穩，大廈必然傾斜。就讓我們從廣相起點談起，看看它是基於什麼原理構建起來的大廈，看看這些原理是不是毫無瑕疵。

四、廣義相對論的基石

愛因斯坦首先創立了狹義相對論，雖然很成功，但只適用於不受引力作用的慣性系，所以要將相對論推廣到非慣性系中去，也就是要將引力引入進來，由此創立了廣義相對論。

任何科學理論都要從幾個假設出發，逐步構建理論大廈，一旦該理論獲得較多的實驗和觀測的支持，就會獲得科學界的認可，而其所基於的假設就會上升為所謂的原理。我們現在來看看廣義相對論基於了哪些原理，這些原理是否一定能經得住時間的考驗。

1. 光速不變原理

光速不變原理是愛因斯坦構建狹義相對論所引入的，即：無論在任何慣性參照系下觀測光在真空中的速度，它的數值是一樣的，都是三十萬公里/秒。愛因斯坦又將這個原理推廣到了非慣性系統，也就是說光速不變在任何參考系中都是成立的。

如此說來，光速就是一個絕對的數值，意味著光的運動竟然不符合運動相對性的基本常識，這是一件無法想像的事情。既然相對論的起點是令人無法想像的，自然就會推演出更多無法想像的結論，什麼時間膨脹、尺縮效應等等就都來了。但隨後的實驗和觀測都證實了這些結論，我們反過來就承認了光速不變，還將之尊稱為光速不變原理。

其實，愛因斯坦在構建廣義相對論時，一度認為光速在引力場中是可變的、不再是常數，也就是說他對光速不變原理是否在彎曲時空也成立，發生過動搖；但最終咬定：光速不變，無論是否處於引力場。

光速不變原理是整個相對論的核心基礎，但由於其絕對性，具有極其容易證偽的特徵（這也正是相對論非常科學的特點），一旦遭到任何實驗結果的打擊，整個相對論大廈將轟然倒塌，無論狹義還是廣義。

2. 廣義相對性原理

愛因斯坦在構建狹義相對論時，從老前輩伽利略那裡學了一手，搞了一個狹義相對性原理，我在這裡以很有內涵的方式表達一下：一旦我們在一個慣性系中通過實驗和測量建立起了物理學定律，那麼，我們在任何其他慣性系再進行實驗和測量時，可以得到數學形式完全一模一樣的物理學定律。換句話說，我們無法通過某個慣性系內部的實驗和測量來區分是否與另一個慣性系發生了勻速的相對運動。宇宙中所有的慣性系都是等價的，沒有哪個更優越一些，沒有哪個特殊一點。

所有慣性系都等價，言下之意似乎是，慣性系與非慣性系不等價，這不符合一切自然法則在所有參考系中都相同的理念；於是乎愛因斯坦破釜沉舟，搞出了廣義相對性原理：一切參照系都是平權的，物理定律在任何坐標系下的數學形式都是不變的，是所謂「廣義協變性」。

要滿足物理定律在任何坐標系下的數學形式都是一樣的，其中就必須選擇張量，因為只有張量是不依賴於坐標系的選擇，或者說在任何參照系下具有相同的數學形式。不了解張量的朋友，姑且認為張量就是一個矩陣，愛因斯坦方程中所用的是二階張量，也就是一個4*4的矩陣。

3. 等效原理

基於狹義相對論，如何構建廣義相對論呢？也就是如何對付非慣性系、如何處理引力問題。愛因斯坦腦洞大開，竟然想出一個將引力局部消除的法子。要想明白這一點，就不得不先說說慣性力。

1）非慣性系：慣性力

所謂非慣性系就是相對於某個慣性系做非勻速直線運動的參考系。你站在一個勻速運動的公交車上，這就處於慣性系，所以你悠然自得，可以保持自己的站姿、自己的慣性，但如果bus突然剎車，你優美身形是不是就要突然向前傾斜，甚至會向前倒下。有人推你了嗎？沒有，那為何喪失了剛才的優雅？那是因為剎車過程中的bus就不是一個慣性系了，它不再相對於地球做勻速直線運動，而是在做減速運動。同樣，bus在加速前進時，你的身體會向後傾斜，這都是常識。我們把減速運動和加速運動都叫加速運動，只要不是勻速直線運動，都叫加速運動。

在剎車或提速的BUS中，我們的身體都受到了一個力，但卻找不到是誰給我們施加了這個力，以至於有些人會去罵司機，其實都是非慣性系惹的禍。當時很多人找牛頓問，這個力是哪裡來的？牛頓其實也不清楚，就敷衍道：是慣性力推了你一把。

什麼叫慣性力？當你站在勻速直線運動的bus上，與bus保持相對靜止，此刻你就想保持這個狀態，這就叫慣性。如果bus driver突然踩剎車，也就是突然給了bus負的加速度，而你的身體正處於勻速運動的慣性狀態，不想和bus一同減速，那後果就是你的身體就會往前撲。誰也沒有推你，是你的慣性給你一種錯覺——似乎有一個推力，於是牛頓編造了一個名詞——「慣性力」，就是慣性力把你往前推。

此時，我們明白，這個慣性力純粹是假想的，其本質就是加速度，有加速度就會感受到慣性力。有加速度的參考系就是非慣性系，只有在非慣性系中才會有慣性力。

總之，非慣性系就是相對於某個慣性系做加速運動的參考系。這樣，為了定義非慣性系，加速度就成了一個絕對的概念，否則非慣性系就沒法定義了。但馬赫對此非常呵呵，他認為加速度也是相對的，他對慣性力的產生有自己一套說法，後文再說。我們先看看愛因斯坦是如何對付慣性力的。

2）思維實驗

愛因斯坦最擅長做思維實驗，直接在腦子裡放了一個電梯：想像一個非常理想的電梯，這個密封電梯里裝著各種實驗用具，和一名實驗員。當電梯相對於地球靜止之時，電梯的東西都會受到地球的引力，那麼處於電梯半空中的物體就會落向電梯的地板，而且所有物體落向地板的加速度是一樣的，就是那個地球的重力加速度g，等於9.8。根據電梯內這個現象，實驗員可以認為：他的電梯受到了外界的引力作用，而且就是地球的引力，因為加速度正好是9.8。

這時，我們突然隔斷電梯的繩索，讓其自由下落，電梯內的實驗員發現原來的所有物體都失去了原有的加速度，達到了失重的狀態，也就是引力的作用消失了，無論是鐵球還是蘋果都可以自由地停留在半空中，自由自在地漂浮在那裡，你不碰它，它就會保持它原有的狀態。這時，實驗員就會認為電梯不再受到外界引力的作用。但實際情況是，電梯正在地球的引力下自由下落，不過我們不要去笑話這個實驗員，因為他在密閉的電梯里，他只能得出那樣的錯誤結論。

這個大腦實驗告訴我們，在自由降落的參照系中，引力彷彿就消失了，換句話說：加速度下落可以抵消引力場。

咋樣，大腦實驗有意思吧，不需要任何投資，就是燒燒腦細胞就行。我估計腦細胞是越燒越多，燒一個、長兩個，要不愛因咋那麼聰明，他成天就在燒啊，我們要向他學習，繼續電梯燒腦。

現在，我們將這個電梯放在遠離任何星體的太空之中，也就是說處於完全沒有引力場的區域。這樣，電梯內的物體就不受任何引力的作用，如果電梯是靜止的，那麼電梯中的人和物體都是失重的，都是自由自在的。這時，我們點燃電梯底部的火箭推進器，讓電梯以加速度9.8向上運動，那麼電梯中的人就會感受一個下墜的傾向，這就是慣性力。電梯一旦加速運動，就成了一個非慣性系，在這裡會出現慣性力。這時，密閉電梯中的實驗員不但感受到了這個力，而且還測到這個加速度是9.8，於是他會認為電梯是受到了地球的引力。其實他是遠離地球的，遠離任何星體的，但大家真的不要笑話他，因為他在密閉的電梯中無法區分這到底是慣性力還是真實的引力，當然前提是這個電梯特別小。

說了半天，就是要引出一個重大結論：慣性力等價於引力；另一個等價的說法就是：加速度就等價於引力場。這就是廣義相對論中的等效原理。

3）等效原理的用途

等效原理是廣相的基本假設，需要說得稍微嚴格一點兒。那就是：引力場與適當的加速度系是等價的。在任何一個時空點，都可以選取適當的加速參考系，使得引力可以局部的消除。

消除了引力的參考系就是慣性系。如此一來，在任何引力場中的任何一個時空點，我們總能建立一個自由下落的或者說是適當的加速參考系，在這裡引力場被消除了，因此它就是慣性系，這樣狹義相對論所確立的物理規律就可以成立了。

剛才我們總是強調局部引力場被消除，或者某個時空點的引力場被消除，這是為什麼？因為我們無法用加速度系去消除一個大範圍的引力場。就拿剛才的電梯來說，它受到了地球的引力，但地球不是一個平面，而是個圓球，所以在每個局域所產生的引力方向都是不一樣的，電梯四個角所受到的引力，在大小和方向上都不一致，因為引力都要指向地心，而且與地心的距離平方成反比。

事實上，一切引力場都是有心的，其力線都是會聚的，而勻加速場的力線是均勻平行的。如果電梯足夠大的話，其中的實驗員完全可以用精密儀器來區別這兩種場。所以說，引力場只能被局部消除。

等效原理意味著，在任何一個時空點很小的局域，可以選取適當的參考系，使一切物質的運動方程中不再含有引力項，即引力可以局部地消除。既然引力消除了，那它就是慣性系。等效原理等於在告訴我們，在任何一個時空點，一定存在局部慣性系。

4）等效原理的局限

等效原理還有一個等價說法：就是慣性力相當於真實的引力，當然是在很小很小的區域。但事實上，引力和慣性力是有本質不同的，比如引力場對時空產生一種內稟效應，令時空彎曲，而慣性力場沒有這種效應。

即便忽略這一點，後來的研究表明，等效原理只在彎曲的時空是成立的，而在有扭曲的時空是不成立的。也就是說，只有在真空撓率處處為零時，等效原理才成立。但當時愛因斯坦正好沒有考慮撓率，只考慮了曲率，所以恰好就滿足了等效原理。這真是歪打正著，萬一愛因斯坦多想一點，把撓率考慮進來，廢掉了等效原理，那廣相豈不夭折？也或許愛因斯坦狂飆推進，直接將有撓的引力理論搞了出來？成就了超級廣相？

4. 馬赫原理

馬赫原理這裡要重點講一下，這個小標題就罩不住了，所以要放在大標題；這其中還有一個微妙的原因，後文再說。

五、馬赫原理

誰對愛因斯坦的思想影響最大，毫無疑問是馬赫，甚至可以說，沒有馬赫就沒有相對論。所以愛因斯坦私下說、公開也說：馬赫是廣義相對論的先驅。但馬赫對這種說法非常生氣，因為他就不承認相對論。愛因斯坦非要說他的廣義相對論是因為馬赫思想所觸發的，而馬赫卻說：你的相對論違背了我的思想。兩個人直接就杠上了，令我等吃瓜群眾目瞪口呆，都忘記了吐瓜子。這到底是怎麼一回事兒，我們要從那隻木桶說起。

1．木桶實驗

大家都知道，牛頓理論建立在絕對時空觀的基礎之上，也就是說：第一，時間是獨立存在的，均勻地流逝，沒有起點、也沒有終點；第二，空間是獨立存在的，不依賴於任何物體，宇宙萬物即便都消失了，空間依然存在，也就是說空間也是絕對的；最後，時間與空間互不影響。

牛頓想證明一下絕對空間是存在的，於是他這樣想：若果然有絕對空間的存在，那樣就會有相對於絕對空間的運動，那這種運動就可以叫絕對運動。若能證明某個運動是絕對運動，也就是說這個運動不依賴於任何參照物，那不反過來就證明有絕對空間的存在了嗎？

於是牛頓設計了一個實驗。木桶里倒上半桶水，放穩當了，桶里的水面是平平的。然後突然讓水桶順時針旋轉起來，這水桶剛旋轉的時候，桶內的水沒有反應過來啊，並沒有跟著一起旋轉，所以水面還是平面的。桶轉了一段時間後，水反應過來，你轉我也要轉。其物理道理就是桶內壁的摩檫力開始帶動水一起旋轉，於是水面就逐漸形成了凹形，而且越來越凹陷下去，直到水與桶的轉速一致。一旦水與桶的轉速一致，水與桶之間就相對靜止了，水相對於地面在轉動，但是相對於桶，水是不轉的。而此時的水面也形成了穩定的凹形、凹面。

就這樣一個司空見慣的常識，牛頓就能從中解讀出絕對空間。水桶剛開始順時針旋轉時，水沒反應過來，但此時的水相對於桶壁已經開始了逆時針旋轉了，那為何水面還是平的呢？牛頓說了：因為此時的水相對於絕對空間是靜止的。等水轉了起來，逐漸形成了凹面，等到與旋轉的桶壁達到相對靜止後，水面還是凹面，這怎麼理解呢？水已經相對靜止了，為何還要凹面呢？牛頓又說了，這說明水在相對於絕對空間是運動的。

簡而言之，牛頓就是這樣認為的：即使在水與桶沒有相對運動的情況下，我們也可以判斷出水究竟有沒有相對於絕對空間的轉動。判據就是：若水面平坦，則無絕對運動，若水面呈凹形，則有絕對的轉動。所以說，絕對空間是存在的。

大家瞧瞧，就這麼一個破水桶旋轉，牛頓在腦子裡就能轉出一個絕對空間來，斯人已逝，牛氣猶在，不得不服啊。

直到他去世一百多年後，才出現了一個人物，名曰馬赫，一上來就批判牛頓對水桶的解釋。馬赫說：水桶實驗並不能說明水桶是否相對於絕對空間的轉動，而是反映水桶相對於整個宇宙天體是否有轉動。

馬赫的意思是這樣的：水面變凹，並不是由於絕對轉動引起的，而是由於宇宙間各種物質對桶里水的作用結果。無論水相對於宇宙間物質進行轉動，或者宇宙間物質相對於水在轉動，二者結果一定是一樣的，因為水面都會變凹。所以，水面變凹只能證明水與宇宙之間其他物質之間有相對轉動。

看到這裡，各位啥感覺，是不是隱隱感覺到馬赫的思維高度是宇宙級的，他是從全宇宙的角度來看一個破水桶，得出了很不一般的解讀。也難怪，馬赫這人是一個物理學家plus哲學家。

2. 愛因斯坦捧出馬赫原理

當時還很年輕的愛因斯坦捧著馬赫的著作，看到這個觀點，受到極大的觸動，直接就膜拜了。既然愛因斯坦都如此膜拜馬赫，那就讓我們再好好感受一下馬赫的思想。

馬赫認為：所有一切都是相對的，所有的質量，所有的速度，所有的力都是相對的（這就意味這加速度也是相對的）。表面上看，桶里的水面出現凹形是慣性離心力造成的，牛頓認為只有相對於絕對空間的加速才會產生慣性力，那麼相對於絕對空間的轉動才會產生慣性離心力；但馬赫認為，哪裡有什麼絕對空間，轉動也是相對的，這個慣性離心力是水相對於整個宇宙物質轉動的結果。

我們拋開水桶，再換一個例子理解一下。想像真空中有一團水，如果是靜止的，會因為自身的引力而形成圓球體。那如果它變成了橢球體了呢？牛頓就會說，一定是這個水球在轉動，但真空中一無所有，它在相對誰轉動呢？牛頓驕傲地說：它在相對絕對空間轉動。但馬赫對此很呵呵，水球如果變橢了，意味著它在相對於宇宙中除水球外的所有物質在轉動。那如果宇宙中只有這個水球，而別無它物呢？馬赫會自豪地說：如果宇宙中只有這個水球，就不會有轉動這個概念了，因為一切運動都是相對的。

按馬赫的說法，即便水球不動，而宇宙其他所有天體圍繞著水球轉動，水球也會變橢、變扁，因為運動是相對的，宇宙其他天體繞著水球轉，與水球相對於天體轉是一回事兒。

更一般地說，馬赫認為，慣性力是全宇宙所有物質作相對加速時所產生的綜合效應；因為天體之間的相對加速運動是引力造成的，所以慣性力的本質就是引力。

馬赫的這種相對主義思想，對年輕的愛因斯坦影響極大。具體來說，馬赫關於運動相對性的認識，促使愛因斯坦創建了狹義相對論；馬赫關於慣性起源於物質之間相互作用的見解又促使愛因斯坦邁向了廣義相對論。

一旦建立了廣相，愛因斯坦知恩圖報，將馬赫的思想總結為一個原理，並將之尊稱為「馬赫原理」。

馬赫原理的具體內容是：在非慣性系中物體所受的慣性力不是「虛擬的」，而是一種引力的表現，它起源於加速物體與遙遠星系的相互作用，是宇宙中其他物質對該物體的總作用；物體的慣性不是物體自身的屬性，而是宇宙中其他物質作用的結果。

正是基於馬赫原理，愛因斯坦在構建引力場方程之初，就設想方程的一端應是反映時空的曲率，另一端則應是反映物質和物質的運動。

3. 馬赫拒絕相對論

看到這裡，我們幾乎可以認為，沒有馬赫就沒有愛因斯坦創立廣義相對論，或許預言引力波的就不是愛因斯坦。愛因斯坦尤其強調馬赫是廣相的先驅，一口咬定自己的廣相是與馬赫原理一致的。但馬赫對此非常呵呵。

想當初，愛因斯坦為了表達對馬赫的崇高敬意，在1913年特地把他廣相的論文寄給了馬赫，並在附信中把馬赫奉為自己理論的先驅，但馬赫完信後，竟然沒有回復；而是在他的新著《物理光學原理》書中的序言中作了公開的答覆：「有人說我是相對論的先驅，但是我根本就不是，我根本就不承認現在的相對論。」

馬赫咋這麼嗆呢？原來愛因斯坦的相對論並沒有達到馬赫所要求的那種相對主義，因為相對論中還有殘留了一些絕對的東西。

馬赫的相對化綱領要求用相對性術語定義所有絕對項，而廣相併沒有達到馬赫的這個要求。等效原理只能在局域保證慣性力場與引力場不可分辨，而在整體上是還是可以分辨的，這樣基於等效原理的廣相就沒有真正達到慣性系和非慣性系在物理上的等價性，使得絕對加速度和絕對轉動仍然有立足之處。難怪馬赫對廣相很不滿意。

哥德爾後來的研究表明（就是搞出不完全性定理的哥德爾），絕對空間和絕對時間的幽靈的確仍然根植於廣相的理論內核之中。

再後來的物理學家發現，廣義相對論竟然在某種特殊情況下與馬赫原理有抵觸。比如說，我們在求解愛因斯坦方程時，對於除了實驗質點外一無所有的真空，從方程中可以得出一個解，這意味著當質點做加速運動時，將會產生慣性力。按照馬赫原理，慣性力是由是宇宙中其他物質對這個質點產生的作用，可我們的前提是真空，哪裡有其它物質呢？也就是說，愛因斯坦方程中蘊含了與馬赫原理相抵觸的成分。

現在想來，馬赫是相當的老辣，他只是從大的角度發現廣相不合乎他的思想，沒想到還真有抵觸。這也就是我為何要將馬赫原理單獨給了一個序號，而不能放在「廣義相對論的基石」的標題之下。

既然廣相與馬赫原理已經有了抵觸，那誰是對的呢？一般人恐怕也難以判斷。但有這樣兩個人，名叫BRANS和DICKE，他們倆就和當初的愛因斯坦一樣，是堅決相信馬赫的思想，為了維護馬赫原理，二人構建一個新的引力理論——標量-張量理論，這個引力理論就是完全符合馬赫原理的。這就是我們在前文講過的BRANS-DICKE標量-張量理論。

廣相和BRANS-DICKE理論到底誰更勝一籌，還有待實驗的檢驗，同時也就檢驗了馬赫原理到底對不對。

我們在文章即將結束的時候，將話題轉回到引力波。

如果嚴格按照等效原理，總可以選擇適當的參考系，令所有引力場能量的分量為零。愛因斯坦自己在研究引力波時就在試圖做這件事情，但沒有成功。他的原話是這樣說的：「可以假設，總可以選擇一個標架使引力場能量的各分量等於零，這是一個極有趣的問題。顯而易見，一般來說這是不正確的。」

我們從中可以感受到愛因斯坦矛盾的心態；在有些物理學家看來，等效原理即便在局部也是不可能實現的。我在想，如果等效原理的確成立，那麼在某個局部、選擇一個合適的參照系，就能把撲面而來的引力波就消除掉了………….

文章雖然要收尾了，但引力理論並沒有結束，他們將伴隨著人類走向未來，未來彎曲、甚至扭曲的時空，還有遙遠過去的絕響。

同時期待，人類早日發現原初引力波，早日探測到白矮星合併的引力波！

胡先笙在此謝謝各位閱讀如此長篇！

參考論著：

唐孟希等《引力波_引力波源和引力波探測實驗》

張承民等《撓率引力效應和它的背景》

陳方培《有撓時空與有撓引力》

桂起權《對廣義相對論思想淵源的一種解讀》

A.A.Logunov《時空引力新概念》

趙崢、劉文彪編著《廣義相對論基礎》，清華大學出版社

劉遼、趙崢編著《廣義相對論》，高等教育出版社

知乎相關回答

如何理解引力波，怎樣具體探測？----胡先笙的回答

「人工AI戰勝了圍棋冠軍？」上帝嘖了一聲，打個響指，放出可探測的引力波。「物理組可要加油啊。」他盯著面前的熒幕上面的《模擬地球》攻略，皺起了眉頭：Good End 1:發現宇宙終極奧秘支線完成度：62%；Bad End 1:人工智慧毀滅人類支線完成度：71%…

「做人要有志氣，大部分人是指望得個諾獎來證明自己，有的人是諾獎不頒給他諾獎就不值錢了。」
引力波的發現就是這麼一件事情，如果不趕緊頒諾獎，諾獎就不值錢了。

關於這個事件本身各路大神都說的差不多了，我腦洞大開的YY一下這件事的意義：
如同@張建東說的，這個結果很可能只是冰山一角，所以還有大量的信號存在並等待更細緻的分析，所以
一、對更多信號的獲取和分析我們可以更完整的理解暗物質
二、宇宙弦等時空大尺度結構，暗能量
三、對原初引力波的探測和分析會促進早期宇宙理論和高能物理的發展——地球上模擬不了的實驗環境，創世之初可以
四、一個真正的量子引力理論

業餘純YY，大家糾正補充^_^