如何理解引力波，怎樣具體探測？

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廣義相對論中的引力波如何理解？怎樣去探測來證明它的存在，可否給出一個實例。

二月十七日，2016記：
各位不好意思，拖了幾天我還沒更新，看評論區也有不少問題等我回答。主要這幾天在忙一個東西，必須這幾天就搞出來。本次探測到的引力波是黑洞併合釋放額引力波，比較強大所以我們探測到了。除此之外還有一種很難探測的引力波——旋轉中子星釋放的引力波。這種引力波比較微弱，對數據分析有灰常高的要求，我現在就在做的工作就是要把這種引力波在茫茫雜訊里找出來，很有挑戰性的。我這個弄完就來更新和回答問題。我看周末有空的話我周末再寫點。謝謝大家支持。

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二月十三日，2016記：
收到大家這麼多的鼓勵、感謝以及祝賀，我非常感動！
我非常非常高興地看到有這麼多朋友對引力波這麼地感興趣，你們的興趣，是我更新本文的最大動力！

更新了第三章的補充內容，有關於引力波怎麼與物體發生作用。
更新了第四章部分有關ligo建立的內容

另外：有關本次發現的科學性解釋請看：如何評價 LIGO 科學團隊宣布探測到引力波及其影響？ - Jing Ming 的回答

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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，當時心中忽然暖流涌動，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，特彆強烈，我哆嗦地打開門，衝進卧室，我再也沒忍住，嚎啕大哭了幾分鐘。

好幾年都沒哭過的我完全沒想到：原來在這件事上，我會變了個人似得那麼的感性和情緒化。

花了一點時間平復了下，我把另個個問題裡面更新了，裡面比較詳細地解釋了本次事件科學方面的有關問題。如何評價 LIGO 科學團隊宣布探測到引力波及其影響？ - Jing Ming 的回答

本答案我會接著寫的，還有很多東西很可以寫。現在有些期刊媒體找我約稿，我必須快點給他們交過去。我忙完這些馬上來更！
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二月十日，2016記：
在大新聞的前夜，繼續更新。第四節：引力波科學發展歷史。

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二月六日，2016記：
大家好，在這流言四起，風口浪尖的時刻，我終於來更新了。現在還是寫第三節，為什麼探測引力波這麼困難。

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7月16日，2015記：
有不少同學問我為什麼還不更新，主要有兩個原因：
一個是我前段時期比較忙，實在沒時間更新。
第二個是，我想把引力波科學發展史的相關資料書籍文獻再多看一點，掌握更多內容後再寫，這樣無論是文章內容的豐富程度和正確性都會有一定提高。
希望大家不要著急，我會抽時間更新的。引力波科學研究是我的職業，同樣引力波科學的科普也是我長期想做的。所以絕對不會太監滴。。。
對方這方面特別感興趣的同學，推薦大家看一本書：KIP寫的黑洞與時空彎曲（有中文譯本），寫的非常非常好，通俗易懂。

為了彌補自己長時間不更新的「錯誤」，爆一張我和Kip Thorne三個月前的一張合影吧 ^^

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謝謝大家支持，現在繼續更新（2月1日，16：38）：第二章引力波的意義。
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：引力波實驗科學發展歷史
第五節：引力波源和背後的數據分析
第六節：從2015年9月14日說起
第七節：發現：新時代的到來

...
...(還沒想好接下去寫什麼，先這麼安排吧)

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剛玩知乎不久，周末早晨慵懶的躺在床上刷知乎。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」里的華人之一，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、非專業的辭彙描述，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。

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。

感興趣的同學可以看下面鏈接，
廣義相對論的驗證證：
廣義相對論的實驗驗證

廣義相對論的正確性已經毋庸置疑，但是。。。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里的很多事情啦。

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：你就處在一個時空里。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！
2：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）如何在它的時空里運動，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，取決於它肚子里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！腫么樣？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」，台下的聽眾不滿意了：「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）

腫么樣？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，但能快速游泳。25厘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厘米。

奇蝦作為當時海里的霸主，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，它由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！
（第二節結束）

第三節劇情預告：引力波探測有多難？很難很難很難，引力波探測是一個世界性的大項目，集合和人類在物理、工程、數學、計算機方面最先進的理論、技術、和智慧。人類窮盡所能為了探測到那4公里長度裡面小於原子核尺度的那個時空漣漪。

第二節補充：
1：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！

2：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激光干涉儀。

3：有同學問什麼是退耦：宇宙極早期溫度很高，然後隨著體積越來越大，溫度慢慢降低，低到一定程度就會有粒子從一開始的那股純能中釋放出來！引力子是最先釋放的，光子是最後釋放的。

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，點贊會不會也減半？
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公里的長度上有了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公里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，別扯什麼精密機床，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》中的一句台詞表達我們的心情：

Man"s reach exceeds his imagination！

第三節補充材料：引力波的物理作用（2.13，2016更新）
寫了那麼多，發現還是有必要花點篇幅寫一下引力波是如何與物體發生作用的。

之前提到了，引力波本質是時空的漣漪，現在我從物理數學的角度具體解釋下：
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。

知乎不能看動圖，所以想看這個動圖的同學移步這裡的圖2：愛因斯坦世紀預言終獲驗證，LIGO首次直接探到引力波 -- 賽先生 -- 傳送門
「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。」好吧，我知道有很多同學表示這個不是人話，現在我用大白話詳細解釋下這個到底什麼意思，一定要仔細看哦，我保證看完每個人都可以理解引力波是如何發生物理作用的！

上圖裡面那個圓柱形的管子表面覆蓋了許多小乒乓球，當沒有引力波經過的時候，圓柱形管子表面是平的。現在假設有一束引力波從管子內部穿過去，會發生什麼？因為引力波是時空的波動，管子所處的時空也會發生畸變，管子表面會「扭動起來」（可以看上面鏈接里的動圖），管子中任意一圈乒乓球，會隨著引力波的頻率周期性地「變橢圓」—&>「變圓」—&>「變橢圓」—&>「變圓」。。。。。

大家知道，橢圓會比圓高一點並且瘦一點是吧？好了h的數學定義就是新的橢圓的高度減去本來圓的高度和圓高度的比值。
這個動圖裡面，圓圈本來長寬都是1m，引力波經過後，圓圈變成了1.5m高，0.5m寬（空間畸變）。那請問穿過圓管的引力波強度是多少？
（1.5-1）?1=0.5！

怎麼樣很簡單吧，你看引力波的強度h達到0.5的話，我們就可以很明顯地看到動圖裡面顯示的引力波對圓管的扭曲作用。我們之前計算的天體物理帶給我們的引力波強度是多少還記得嗎？是 $10^{-23}$ !事實上，連宇宙中已知最強大的物理過程，到達地球是的h也才 $10^{-21}$ ！要測量這麼微小的一個空間畸變，是什麼概念呢？是要在地球到比鄰星（3.2光年）的距離上測出小於頭髮絲寬度的距離變化！這簡直是天方夜譚！那麼引力波到底是如何探測的呢？請看下回分解。

請大家牢記這個描述引力波強度的h，後面還經常會提到它哦。

4 引力波實驗科學發展歷史

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、半徑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。

後來的LIGO的主要創始人創始人索恩（就是那個和答主合影的那個白鬍子老爺爺，也是《星際穿越》的編劇、製片和顧問）在1976年對對共振棒探測器還保有信心，他成功說服了加州理工的物理學和天文學系組件一個團隊來建造引力波探測器。但是學校領導要求索恩必須把這個項目做大做強並且找到一位非常優秀的實驗物理學家來擔任這個項目的領導。經多方推薦，最後格拉斯哥大學的德雷維爾（Ronald Drever）成了索恩的「合作夥伴」。

德雷維爾同行們認為是極富想像力和創造力的實驗物理學家，他在格拉斯哥也和共振棒打了五年交道。到了加州理工之後，他深知共振棒的局限性，努力說服了索恩放棄原計劃而轉向一種更有希望基於邁克爾遜干涉儀原理的引力波探測器。

其實早在在韋伯設計建造共振棒的同時期，有部分物理學家認識到激光干涉儀引力波探測方案的優越性。到了70年代，加州理工學院的的韋斯（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。1986年在美國國家科學基金委（NSF）的建議下，這些才華橫溢的物理學家們和他們的同事們被一起分成了兩個組。一個是以索恩、佛瓦德、德雷維爾為領導的加州理工小組，一個是以韋斯為領導的麻省理工小組。兩個小組分別負責建造並啟用全國性的科學裝置——LIGO。

圖：引力波激光干涉儀的工作原理

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。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範圍的頻率的引力波信號一般是（20Hz-3000Hz）；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 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；德國漢諾威（Hannover）臂長為 600 m 的 GEO，日本東京國家天文台臂長為 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路中的先行者進行觀測。此外，歐洲的空間引力波項目eLISA和日本的地下干涉儀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的激光干涉儀引力波探測器 LIGO（L1）

左圖為位於美國華盛頓州漢福德附近的臂長4km的激光干涉儀引力波探測器 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 的激光干涉儀引力波探測器 VIRGO

圖：日本的地下干涉儀KAGRA內部，在山頂下方1000米處。地下岩壁都用防水布包裹，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，在德國漢諾威的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里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雜訊呢？

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雜訊。建造引力波探測器網路，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路。

====2月16，增添部分說明內容=====
====2月26，增添引力波偏振部分,以及部分更正，以及科普分為兩個等級=====

就沒人寫點具體的么，科普越是雲里霧裡越容易滋生民科。
而且廣大理工男迫不及待地想要找妹紙裝逼，曾經偉大的林副主席教導我們：急用先學。

本回答旨在將教科書中的引力波章節部分介紹給有一定數學基礎的觀眾。
畢竟屬於科普，所以介紹的過程會故意略去一些數學細節。
非理工科的同學不要再吐槽了。

LEVEL 1: 給一般物理系本科生

如果你學過電動力學，你肯定知道：
4矢勢： $A^mu$
電磁場張量： $F_{mu u} = partial_mu A_ u- partial_ u A_mu$
無論你取什麼規範
$ilde{A}_mu=A_mu+partial_mu f$ ,
電磁場張量是不變的：
$ilde{F}_{mu u} = F_{mu u}$
意味著上面電磁場張量的定義有一定的規範自由。
有個叫Lorenz的人發明了洛倫茲(Lorenz)規範： $partial_mu A^mu=0$
取了這個規範你可以將真空中的麥克斯韋方程組化簡為波動方程 $Box A^mu=0$ 。
這樣是不夠欽定出4個矢勢分量的，因為你可以選擇的 $f$ 可以相差一個任意的 $varphi$ , 只要滿足 $Box varphi=0$ 就行，確定下 $varphi$ （讓A0消失或變成常數），你就可以得到只有2個獨立分量的 $A^mu$ ,對應電磁波兩個偏振。

引力場的方程不是線性的，所以事情沒這麼簡單，但是在弱場引力波的條件下，上面的事情是可以類比過來的：
度規的微擾： $h_{mu u}=g_{mu u}-eta_{mu u}$
(為了方便，我們記 $psi^{mu u}=h^{mu u}-eta^{mu u}h^{alpha}_alpha/2$ )
黎曼曲率張量： $R_{alphaeta hosigma}={many,,terms,,about,,metric}$
無論你取什麼坐標變換，只要足夠小：
$ilde{x}^mu=x^mu+xi^mu o ilde{h}_{mu u}=h_{mu u}+partial_muxi_ u+partial_ uxi_mu\ opartial_mu ilde{psi}^{mu u}=partial_mupsi^{mu u}+Boxxi^ u$ ,
黎曼張量場是不變的:
$ilde{R}_{alphaeta hosigma}=R_{alphaeta hosigma}$
意味著上面黎曼曲率的定義有一定的「規範自由」。
我們想起了Lorenz,取對應的洛倫茲規範 $partial_mu psi^{mu u}=0$
取了這個規範你可以將真空中的引力場方程化簡為波動方程 $Box psi^{mu u}=0$ 。
這樣是不夠欽定出16個度規分量的，因為你可以選擇的 $xi^mu$ 可以相差一個任意的 $zeta^mu$ , 只要滿足 $Box zeta^mu=0$ 就行，確定下 $zeta^mu$ ,再做一些微小的工作，你就可以得到只有2個獨立分量的 $h^{mu u}$ ，對應引力波兩個偏振。

LEVEL 2 : 給廣義相對論入門者 (因為歷史原因，下文和LEVEL 1 是兩個版本)

先引入度規的概念，從勾股定理出發，平面幾何上我們有：
$mathrm{d}s^2=mathrm{d}x^2+mathrm{d}y^2 = egin{pmatrix} mathrm{d}xmathrm{d}y end{pmatrix} egin{pmatrix} 10\ 01\ end{pmatrix} egin{pmatrix} mathrm{d}x\mathrm{d}y end{pmatrix} = sumlimits_{i,j}g_{ij}mathrm{d}x^imathrm{d}x^j$
中間的 $g_{ij}= egin{pmatrix} 1\ 1\ end{pmatrix}$ 是平面度規在笛卡爾坐標下的矩陣(張量)表示，也稱歐幾里得度規，表徵著當前幾何的度量。
BTW，按照愛因斯坦求和約定，我們會省略求和號：
$mathrm{d}s^2=g_{ij}mathrm{d}x^imathrm{d}x^j$
當然了 $g_{ij}$ 可以是任意的對稱矩陣，只要仍然是正定對稱的矩陣，我們就稱我們研究的幾何是黎曼幾何，這時候維度多少都是無所謂的，把矩陣寫大一點就是了：
$g_{ij}= egin{pmatrix} g_{11}g_{12}cdots\ g_{21}g_{22}\ vdotsddots end{pmatrix}$ .

然後我們可以說一些物理的東西了！！！！
引入狹義相對論的Minkowski幾何，這時候時空仍然是平坦的，在自然單位制下， $c=hbar=G=1$ ,我們可以記度規為：
$g_{mu u}=eta_{mu u}= egin{pmatrix} 1\ -1\ -1\ -1\ end{pmatrix}$
並且1對應著「時間」，-1對應著空間，即：
$mathrm{d}s^2=mathrm{d}t^2-mathrm{d}x^2-mathrm{d}y^2-mathrm{d}z^2 = egin{pmatrix} mathrm{d}tmathrm{d}xmathrm{d}ymathrm{d}z end{pmatrix} egin{pmatrix} 1\ -1\ -1\ -1\ end{pmatrix} egin{pmatrix} mathrm{d}t\ mathrm{d}x\ mathrm{d}y\ mathrm{d}z\ end{pmatrix}$
(根據不同理論物理學家的記法，有人更喜歡 $g_{mu u}=-eta_{mu u}$ 的記法. 當然各有各的好處，並沒有孰劣孰優的說法)

好，一旦了解了上面的知識，我們可以引入引力波了！！！！
我們這裡只討論弱場引力波，畢竟LIGO距離雙黑洞那麼遠，測得的都是弱波，波太強下面寫的東西就太複雜了，答主我比較懶。

那麼，弱場近似下的引力波是啥？沒錯，貓膩還在度規裡面，這時候飛面大神的附肢撫摸了你周圍的度規，相當於度規來了一個隨時空變化的微擾：
$g_{mu u}=eta_{mu u}+h_{mu u}$
這裡 $h_{mu u}$ 的任何分量都是足夠小的，以至於仙人掌不會吸收。

根據大名鼎鼎的愛因斯坦方程：
$R_{mu u}-frac{1}{2}g_{mu u}R=8pi T_{mu u}$ (1)
（這是本回答中唯一的物理內容，上式是略去了宇宙學常數的版本。）

如果你的女朋友問你方程裡面各項是啥，你告訴她 $R_{mu u}$ 是Ricci曲率張量， $R$ 是標量曲率， $T_{mu u}$ 是物質的能量動量張量。
如果你女朋友這個方程怎麼推導，你可以說這個方程已經欽定了

然後縮並一下方程，得到 $-R=8pi T$ ，然後移項得到: $R_{mu u}=8pi (T_{mu u}-frac{1}{2}g_{mu u}T)$
在真空的情況下， $T_{mu u}=0$ ,
所以:

（亦即 $R_{mu u}=0$ ）

那麼，關鍵就在於 $R_{mu u}=0$ ,意味著啥? 根據微分幾何，與度規 $g_{mu u}$ 」適配「的Ricci曲率是可以直接寫成度規的函數的，具體展開式比較長，涉及對 $g_{mu u}$ 的一階和二階導數，具體參見參考文獻[1]的 $S92$ 等相關章節。

但是省略二階小量，我們得到相對簡單的：
$R_{mu u}= frac{1}{2} left( -eta^{alphaeta} frac{partial^2 h_{mu u}}{partial x^{alpha} partial x^{eta}} + frac{partial^2 h^{alpha}_{ u}}{partial x^{mu} partial x^{alpha}} + frac{partial^2 h^{alpha}_{mu}}{partial x^{ u} partial x^{alpha}} + frac{partial^2 h^{alpha}_{alpha}}{partial x^{mu} partial x^{ u}} ight) =0$ (2)

或者根據文獻[2]的做法，定義 $psi^{mu u}=left(h^{mu u}-frac{1}{2}eta^{mu u}h^alpha_alpha ight)$ ，則：
$R_{mu u}= frac{1}{2} left( -eta^{alphaeta} frac{partial^2 psi_{mu u}}{partial x^{alpha} partial x^{eta}} + frac{partial^2 psi^{alpha}_{ u}}{partial x^{mu} partial x^{alpha}} + frac{partial^2 psi^{alpha}_{mu}}{partial x^{ u} partial x^{alpha}} - eta_{mu u}frac{partial^2 psi^{alphaeta}}{partial x^{alpha} partial x^{eta}} ight) =0$ (3)

公式很討厭很長對不對，非數理專業妹子如果這時候還沒睡著，又不會計較你到底寫得對不對，你只要告訴她，做個無窮小的坐標變換可以消掉右邊後三項就可以了，坐標變換是：
$egin{aligned} ilde{x}^mu=x^mu+xi^mu\ Boxxi^mu=-frac{partial psi^{mu u}}{partial x^ u}\ end{aligned}$
坐標變換使得新的度規張量變換為：
$ilde{g}_{mu u} = g_{mu u}+partial_mu xi_ u+partial_ u xi_mu\ Rightarrow ilde{h}_{mu u} = h_{mu u}+partial_mu xi_ u+partial_ u xi_mu$

容易我們可以得到線性引力論下的」洛倫茲規範「(參考文獻[2]),即：
$frac{partial ilde{psi}^{mu u}}{partial {x}^ u}= frac{partial psi^{mu u}}{partial {x}^ u}+Boxxi^mu =0$ (4)

然後不就結束了嗎：
$eta^{alphaeta} frac{partial^2 ilde{psi}_{mu u}}{partial x^{alpha} partial x^{eta}} = Box ilde{psi}_{mu u} = left( frac{partial^2}{partial t^2}- abla^2 ight) ilde{psi}_{mu u} =0$ (5)

如果你知道什麼是波動方程，你肯定知道 $Box=partial_t^2- abla^2$
所以這就是在當前坐標系下傳播速度為光速 $c=1$ 的真空引力波動方程啊！！！！

屌不屌！！！！
屌不屌！！！！
屌不屌！！！！

註：
1）因為字母上面的小波浪只是坐標變換的結果，所以下文一律取消小波浪。
2）這裡 $psi_{mu u}$ 的定義可能讓人云里霧裡，參見偏振部分，我們可以取"輻射規範"將波動方程變為直觀的 $Box h_{mu u}=0$

你問我如何測量引力波？比如LIGO的探測器附件，有某個時刻度規分量恰好是：
$g_{mu u}= egin{pmatrix} 1\ -1.00..1\ -0.99...9\ -1\ end{pmatrix}$
那麼x方向和y方向不再保持」各向同性「，當然」各向異性「的量太小，我們可以用光的波長來比對(當然還要用鏡子來回反射N個回合來放大這個變化量)，於是我們建造了LIGO，用激光干涉就可以驗證度規隨時空變化的擾動。因為反射腔的坐標長度是不變的，擾動的度規會帶來固有長度的變化（亦即光相位的差異）, 從而比對兩個方向激光的相位，得到干涉的測量結果，具體參見其他回答。

我是多寂寞才在2月14寫這些傻逼玩意。

--------下面是偏振部分的討論------------
從波動方程出發， $psi_{mu u}$ 有16個分量，從對稱的角度出發，也有10個獨立分量(比如 $muleq u$ 的分量).實際上，寫出波動方程 $Box psi_{mu u}=0$ 只是給出引力波的必要條件，10個獨立分量其實有很多是廢的。(下面我們證明他們之中只有兩個有用)

觀察(4)式，如果我們在足夠小的 $xi^{mu}$ 上加一個大致相同數量級的 $zeta^mu$ ,並且滿足 $Boxzeta^mu=0$ ,那麼(4)式仍然能滿足。那麼我們可以選擇恰當的四個方程，以徹底確定坐標變換
$Boxzeta^mu=0$ (6)
使得
$h^alpha_alpha=0,,,$ (a)
$h_{01}=h_{02}=h_{03}=0$ (b)

這時候波動方程(5)其實就已經化簡為
$Box h_{mu u}=0$ (7)

這時候，根據(4)和(7),仍然有
$partial_0 h_{00}=0\ Boxpsi_{00}=Box h_{00}=0\ Rightarrow abla^2h_{00}=0$
意味著物理的 $h_{00}$ 在無窮遠漸近平直時空會趨於常數，我們可以將坐標做一個標度變換使得 $h_{00}=0$ (c)

不要忘記，這時候「洛倫茲規範」(4)式是我們保護的對象, 考慮(4)(a)(b)(c), 一共有4+1+3+1=9個方程，但是(a)(b)(c)實際上等價於(4)中的 $partial_mupsi^{mu 0}=0$ .
所以一共是有3+1+3+1=8個約束方程。

10-8=2

所以引力波有兩個偏振。

（值得注意的是，在該坐標選取(規範選取)下，一直保持著 $g_{00}=1$ , 即坐標鍾和實際走時(固有時)是一致的。）

好了真的寫很長了我不想繼續了

參考文獻：
[1] Landau, L.D. and Lifshits, E.M. (1967) Theory of Field
[2] 梁燦彬,微分幾何入門與廣義相對論

轉載請註明出處，蟹蟹。

======10月24日：我又寫了一篇關於引力波和廣義相對論的回答，是對本文的進一步拓展和深入，歡迎閱讀。======

引力波，又來了，此番不再是雙黑洞合併、才持續1秒，而是持續了100秒的雙中子星合併而產生的引力波，同時還跟來了各種電磁波。值此科學盛宴，是該真正理解引力波，不能只滿足於「時空漣漪」的通俗說法。

10月3日，諾獎授予三位引力波貢獻的物理學家；10月16日，全球聯合發布，人類首次探測到了來自雙中子星合併的引力波，同時探測到電磁信號，2017年的金秋十月，世界再次掀起引力波的狂潮。藉此機會，我來談談如何真正理解引力波，這就必須從相對論說起。

一、回顧

2016年2月11日，LIGO宣布：探測到了引力波；全球轟動、新聞盛宴、各種刷屏。LIGO通過對這個信號的分析，認為這是13億年前發生的一場宇宙級的黑社會火併重大事件，也就是兩個黑洞合併了。13億年前的事兒，為什麼我們地球人現在才察覺，因為雙黑洞系統距離地球13億光年。

我們先看這兩個黑洞，一個質量相當於29個太陽，一個相當於36個太陽，他倆剛開始互相繞著對方轉動，越轉越近，最終就合併了，合併成了一個黑洞，相當於62個太陽。差得那三個變成能量釋放了。多大的能量？E=mC2，這麼大的能量是以什麼方式釋放的呢？就是通過引力波釋放的，引力波把這些能量帶走了。

什麼是引力波，如果有人顧名思義，想像著什麼波一般的引力、或者什麼引力如同波一般的傳播，那就大錯特錯了。引力波的專業說法是：四維時空曲率的擾動以行進波的方式向外傳遞的一種方式，所以更應該叫曲率波；這聽著也太專業了。我們還是聽一個軟和一點兒的，引力波就是時空彎曲的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播。

時空為何會彎曲，愛因斯坦在廣義相對論中告訴我們物體的質量會讓時空彎曲，一旦物體發生運動或質量發生變換，時空的彎曲程度就會變化，形成了漣漪一般的波，就會向外傳播。

因此，愛因斯坦早就預言了引力波的存在，但愛因斯坦同時又說了，因為引力波太弱了，地球上的我們是不太可能觀測到的，那麼LIGO憑啥就認定他們觀測到的就是貨真價實的引力波呢？尤其是還認為此番的引力波是兩個黑洞合併所引發的，這就更令人匪夷所思，因為我們就沒有真正直接地觀測到黑洞，又何來兩個黑洞的合併呢？

要想真正了解這些問題，就先要真正理解引力波，這就必須了解一些廣義相對論，要了解廣相，又要從狹義相對論說起。

二、從狹義相對論到廣義相對論

大家都知道，描述一個事件需要時間和地點，也就是時間和空間，這樣空間三個坐標XYZ與時間T就構成了四維時空，這是一件非常自然的，但牛頓為何不提四維時空的概念呢？因為他認為空間與時間之間是相互獨立的，所以沒必要把時間和空間視作一個整體，也就沒必要提出四維時空的概念。反過來，愛因斯坦要把時間和空間放在一起組成四維時空，當然是認為是時間和空間之間會互相影響，時空混成一個整體。

愛因斯坦這樣也是被逼的，是為了強行解釋邁克爾遜-莫雷的實驗結果，毅然提出了光速不變的假設。所謂光速不變就是說：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，都是每秒三十萬。這的確是不可思議的，但這個假設的確可以解釋邁克爾遜-莫雷的實驗。愛因斯坦基於此構建了狹義相對論，帶來了很多光怪陸離的現象，比如運動中的物體長度會變短、運動中的物體質量會變大、運動中的時鐘會變慢，這都是光速不變的假設所造成。其原因就在於我們人類要用光來進行各種觀測，所以光速不變這個原理就會滲透到整個物理大廈，最終導致時間和空間發生關聯，不但令時間和空間必須要組成一個整體的四維時空。

狹義相對論很成功，預言了很多結果與實驗和觀測相符合，這樣光速不變的地位從假設上升到了原理。但愛因斯坦對之並不滿意，是狹義相對論是基於慣性系的，這就意味該理論所推導出的物理定律只適用於不受引力作用的慣性系，要不怎麼叫狹義相對論呢？所以有志青年愛因斯坦必須要繼續努力，發誓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。

過去引力的規律是被牛頓的萬有引力定律所主宰的，但它與狹義相對論發生了衝突，所以愛因斯坦必要發展出新的引力理論，要去實現「物理規律在一切參考系裡都具有相同的數學形式」的偉大理想。

受到法拉第磁場概念的啟發，愛因開始把引力也視作一種場，就是引力場。在愛因看來，一個有質量的物體就會在它的周圍空間布下一個引力場，它會對這個場中的另一個物體發生作用，所以不是什麼超距作用，而是引力場的作用。空中的物體為何會向地面下落，因為它處於地球的引力場之中。愛因斯坦接著又突發奇想：我從窗戶上跳下去，這樣就會成為一個自由落體，那麼我就感受不到自己的重量了。這個大腦實驗告訴我們一個道理，自由下落物體是感受不到地球對他的引力，確切地說，是感受不到地球引力場的，完全處於類似宇航員失重的狀態。

這個大腦實驗就是得出一條結論——地球引力場下的自由加速下落與沒有引力場的效果是一樣的，是完全等價的。這個結論挺可怕，意味著，引力場的存在可以視作一種表觀的存在，甚至可以看做是一個假象，因為我們總可以選取另一個參照系，使得引力場不存在了。就是我們在自由下落時，根本就感受不到地球對我們的引力。

最終愛因斯坦將之升華為：加速度就等價於引力場，這就是等效原理，基於此愛因斯坦構建了廣義相對論。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。如此以來，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。

基於此，愛因斯坦提出了廣義相對性原理：一切坐標系都是平權的，都是平等的，無論它是慣性系還是非慣性系，任何物理學規律在任何坐標系下都有相同的數學形式。這說起來容易，但做起來非常難，愛因斯坦構建廣義相對論極其艱辛，用了八年時間。

三、時空彎曲

廣義相對論是關於引力場的理論，因此其最大的目標就是改造牛頓的萬有引力公式。在狹義相對論看來，萬有引力公式最大的問題是，其分母上的距離平方會依賴於參照系的選擇，不同的參照系會觀測到不同的距離，因為參照系之間的相對運動會有尺縮效應。而愛因斯坦的目標是：建立一套這樣的引力方程，不依賴於參照系的選擇，也就是說它在任何參照系下，無論是慣性系還是非慣性系，這個引力場方程都有相同的數學形式。

愛因斯坦開始思考：為什麼兩個不同質量的鐵球會同時落地，就是把鐵球換成金磚、銀彈、鉛球也會以同樣的方式、同樣的加速度去下落，去落地。愛因進一步又想：若在真空中斜拋一個物體，無論是煤塊、木塊還是豆腐塊，只要拋射角一致、初速度也一樣，那麼它們畫出的空間軌跡也是完全一樣的拋物線，這是怎麼回事兒？愛因斯坦猛然腦洞打開：這不就說明了物體在引力場的運動方式與物體本身的性質無關、只與空間的幾何有關。斜拋物體為何會展示拋物線呢？那是因為時空是彎曲的，是地球的質量令周圍的時空彎曲了，物體在彎曲的空間只能彎曲著走。按照這種思路，就可以這樣解釋地球繞太陽轉，太陽質量特別大，是地球質量的33萬倍，把周圍的時空搞得很彎，彎得地球就只能繞著它轉悠，樂此不疲。

看到這裡，或許有人覺得：原來牛頓與愛因斯坦就是用兩個等價的方式來刻畫宇宙的規律，一個是引力，另一個是彎曲時空，牛頓的質量越大則引力越大，也就相當於愛因的質量越大造成的時空彎曲程度越大嘛。真的等價嗎？若果真等價，那引力波還會輪得到愛因斯坦去預測嗎？那麼在哪裡不等價了？在狹義相對論中，時間和空間已經融為一體，一旦空間彎曲，時間也必然彎曲，時間和空間之間互相影響，這是牛頓絕對時空觀所無法想像的。所以彎曲時空與牛頓引力概念的關鍵區別在於，時間是否與空間發生了互作用。

既然愛因斯坦認為是彎曲時空導致了物體的種種運動，那麼首先要面對的是如何描繪這個四維時空的彎曲程度，這個在數學難度非常大，好在有數學家黎曼提前為他準備了黎曼幾何。四維時空曲率不是一個標量，也不是一個矢量，而是一個四階張量、要用一個4*4*4*4的超級矩陣來表達，一共包含256個元素，其複雜程度由此可見一斑。我們姑且將將之記做R，一個需要四個角標的R。

雖然張量很煩人，但張量有一個大優點：它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。這正是愛因斯坦對物理量的追求，滿足廣義相對性的要求。而時空曲率是一個四階張量，更說明它是時空的內在性質，描繪了時空的彎曲程度，並不受到坐標系選擇的影響。

四、引力場方程

大物理學家就是要基於觀測數值，再利用直覺洞察力和數學工具，要對所研究的系統建立數學方程，這個方程將會蘊含系統的運行規律。現在的思路是，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，這樣兩者之間可以建立一個等式關係。

具體來說，愛因斯坦有了曲率張量，一個描寫時空彎曲程度的數學概念，但它同時也是一個物理量，因為是物體質量導致時空彎曲的。根據狹義相對論的一個副產品E=mc2，令我們曉得質量和能量其實是一個東西的兩個不同狀態而已。所以更嚴格地應該說，是質量和能量導致了時空彎曲。

也就是說，有多大的質量和能量就會導致時空有多彎曲，這不正是一個等式關係嗎？那麼這個預想的等式中，一側應該是表達質量和能量的，它們是導致時空彎曲的元兇，另一側應該是曲率張量，它是時空彎曲的體現。但這裡有個障礙，這曲率張量是一個四階張量，你質量和能量算個啥，就幾個分量，怎麼和高大上的四階張量進行對接呢？也就是說，愛因斯坦必須要將質量和能量也寫成張量形式，才有望與曲率無縫對接。最終，愛因斯坦由能量和動量來構建這個張量，也就是將將動量和能量視作了一個整體——能量動量矢量，然後借鑒電磁學，湊了一些能量密度、動量密度、能量流、動量流之類的，最後搞出了一個4*4的矩陣，也就是把能量動量矢量升級成為二階的能量動量張量。

但是，這個二級張量仍然無法與四階的曲率張量對接，於是愛因斯坦又利用里奇的成果，將四階的曲率壓縮為了二階的張量，就把這個表達曲率的二階張量稱之為里奇張量。至此為止，表達時空彎曲的曲率張量已經壓縮為二階的里奇張量，引起時空彎曲的質量能量也提升為了二階的能量動量張量。現在就是要尋找它倆之間的等式關係，一旦找到，廣義相對論就大功告成。

臨門一腳，愛因斯坦再次遭遇強大阻力，幸有數學大鱷希爾伯特出手相助，終於大功告成，這裡必須要將這個偉大的方程展示出來：

它就是引力場方程（或稱愛因斯坦方程），但實際上在方程並沒有直接表達引力場的物理量，只有顯示曲率的度規張量gμν、里奇張量Rμν、曲率標量R，還有能量動量張量Tμν，所以我覺得叫曲率方程更加準確，因為它是在表達時空曲率與物質分布狀態的方程。之所以還叫引力場方程，那是因為引力這個概念太有魔性，儘管愛因已經用彎曲時空取代了它，但還是令我們揮之不去。

大家要注意，愛因斯坦方程不是一個方程，而是十個方程，因為其中的變數帶下角標μ、ν，是一個2階非線性的偏微分方程組。宇宙萬物的規律都蘊含在了這個方程組之中了。但必須注意：方程中只是蘊含著萬物的規律，但並未呈現出來，需要將方程解出來，才能看到其中到底有什麼靈童仙子、有哪些妖魔鬼怪。但求出通解是不可能的，只能去求特解。

宇宙的規律似乎都蘊含在了愛因斯坦方程之中，後來的人每從其中求得一個特解，都是解開了一個令人震撼的宇宙密碼。這個震撼度往往令愛因本人都無法接受。比如，史瓦西從引力場方程中求出了黑洞，這讓愛因很尷尬，因為愛因一貫反對黑洞的存在。再後來，白洞、蟲洞、奇點都從愛因斯坦方程中冒了出來，其本質就是由曲率所形成的一種特殊類型。

五、預言引力波

愛因斯坦就是通過求解自己的引力場方程，預言了引力波的存在。具體是如何求解的呢？愛因斯坦採用了弱場近似的方式。先打個比方，我們在中學都學過單擺，它的運動方程就是非線性的，因為裡面有sinθ這個項，但如果這個單擺擺動的幅度特別小，也就是這個θ特別小，那麼sinθ就近似於θ了。一旦在運動方程中將sinθ換成θ，方程就線性化了，就好處理了，也就成了簡諧運動了。但一定要注意，這個單擺的幅度一定要特別小。

引力場方程本身是非線性的，非常難以求解，但如果我們假設這個引力場很弱，換成愛因的話就是這個時空彎曲的程度很低，那麼我們就可以把方程線性化，這就叫弱場近似。這個尺度要掌握的非常微妙，如果太弱就成牛頓的情況了，再強一點兒就成非線性了，就要弱得恰到好處，彷彿黛玉葬花一般。

一旦進行了這樣的處理，愛因斯坦方程直接就變成波動方程了，意味其方程解是正弦sin和餘弦cos所構成，這個解就是曲率波，也就是所謂的引力波，這就是傳說中的愛因斯坦預言了引力波，而且還算出引力波就是以光速來傳播的。這裡插播一句，此番雙中子星合併所產生的引力波和電磁信號幾乎是同時抵達地球，說明了引力波與電磁信號一樣，都以光速進行傳播，證實了愛因斯坦的預言。

我們再看看引力波的樣子。它是個四極引力波，啥意思？首先從解的形式看，引力波是個橫波，就是它的震動方向與傳播方向是垂直的。而且它有有兩種偏振，每個偏振中又有兩個偏振方向，所以一共是四個偏振方向，它們之間的夾角是45度。大家腦海中是否能呈現出這樣一圖景：在XY平面上，一個空間曲率在四個方向來回收縮，同時又將這個收縮沿著Z軸向前傳播。這就叫四極輻射的引力波。

我們在這裡再舉個例子，來形象地看看四極輻射的引力波。神話中常說，某大神是三頭六臂，而這個四極輻射的引力波就是無頭八臂，怎麼講。想像一個沒有頭的大神，但是他有八條胳膊，也就是四雙胳膊，然後想像這四雙胳膊都伸展開，每雙胳膊都形成一條直線，是不是就呈現出四條交叉的直線，而且他們之間的夾角還是45度，就是八條胳膊均分了平面上的360度。好了，現在伸直四雙胳膊的大神開始向前走了，而且還是以光速向前走的，走的同時，四雙胳膊還來回收縮，這就是四極輻射的大神，也就是四極輻射引力波。

我們再隆重一些，上個數學公式。因為我們終究要關心這個引力波是否能探測到，所以這裡就給出這個引力的輻射功率：

輻射功率-dE/dt={κ/(45C5)}(d3Dik/dt3)
(d3Dik/dt3)

其中κ是那個引力常數，D就是系統的質量四極矩，C當然是光速。大家主要看一下這個公式的氣質，分母上竟然是C的五次方，這個輻射功率低的彷彿是蚊子的喃喃細語，怎麼可能觀測到。所以愛因斯坦雖然預言了引力波，但他認為是無法驗證的。

但愛因這樣想也有問題，你這是弱場近似下得到的結果。場子很弱，當然引起的引力波也很弱，如果是一個很強的場子，那麼他發出的引力波，是不是就有可能探測到了呢？

但是到哪裡去找這樣很強的場子呢？我們太陽系就是個弱場，因為太陽質量不大，其他行星更是不足為論，所以太陽系的時空曲率很小，這就是牛頓為何在這裡橫行了幾百年。那誰質量特別大呢？這裡就要有請黑洞粉墨登場。

大家想像黑洞是什麼東西，就是質量極大，同時體積還賊小，它對周圍時空會產生多大的彎曲，簡直就是就把時空快要彎斷了，換句話說，它形成的引力場特彆強大，黑洞能提供強場，尤其是黑洞雙星系統，那可是強中之強。

所謂黑洞雙星系統，就是兩個黑洞互相繞著對方轉。可以想像，每個黑洞在嵌入的表面形成了深坑，也就是極大的時空曲率，當黑洞互相繞著對方旋轉時，兩個轉動坑產生出極大變化的曲率波，以光速向外傳播。這兩個黑洞的場子，是我們現在能想到的最強的引力場，或者說是最大麴率，那麼這種曲率的變化所引發的曲率波，或者說是引力波，就可以特別特別大，這樣地球上的人類就有觀測到的可能性了。此番LIGO就是觀測到了雙黑洞合併所傳來的引力波。

兩個黑洞為何會合併？大家想想，兩黑互轉釋放引力波，那是要消耗自身能量的，也就是變化的時空曲率把能量帶走了。雙黑能量一降低，就保持不了那個距離了，就要靠近一點兒。或者這樣理解更容易，向外傳播的引力波會對黑洞產生反衝力，就像開炮時會有後坐力一樣。黑洞一被反衝，兩個黑洞就會靠的更近、轉的更快，這樣雙方就會以螺旋式地慢慢落向對方。而且越是靠近，就會轉的越快，放出的曲率波就越強，失去的能量就越多，最終兩個黑洞以接近光速融為一體，這就是黑洞合併。

太壯觀了，可惜我們都沒見過，黑洞里連光都出不來，怎麼可能去觀測。但是，有一個東西出來，誰啊？曲率波，而且這個引力波的強度還特別大，尤其是在雙黑合併的那瞬間，超級大，這就為人類檢測到引力波提供了可能。

六、引力波探測的內在邏輯

那地球人到底怎麼觀測宇宙中傳來的引力波呢？剛才我們一直在說引力波實際上是曲率波，是時空彎曲程度不斷變化的傳播，所以當它傳過來後，我們的時空就會一張一弛、一松一緊。具體來說，引力波會在一個方向上拉伸，另一個方向擠壓，拉伸和擠壓是振蕩的。當引力波的波峰到達時，是上下拉伸、前後擠壓，當波谷來臨時，就變成了上下擠壓、前後拉伸，如此反覆不已。這樣的話，我們不就可以觀測了嗎？

但大家要注意，雖然黑洞合併釋放了巨大強度的引力波，但是黑洞里我們太遙遠了，所以當引力波傳到我們這裡，早已沒有往日的雄風。具體來說，兩個黑洞合併所產生的引力波對地球物體所產生的變形只有物體大小的1/1021 。小到了這種程度，真讓人有點兒絕望，而且已經雙黑洞合併的級別了，這還怎麼測？

滄海橫流、方顯英雄本色；曲波渺小、偏有韋伯要測。1959年，約瑟夫.韋伯手提一根長2米的鋁棒，要用它測量遙遠宇宙傳來的引力波。韋伯提著2米的鋁棒子，要去測量曲率波，這太有畫面感了，我腦海中浮現的不是堂吉訶德，而是當陽橋前、喝退百萬曹兵的張翼德。

韋伯是這樣想的，一旦引力波襲來，就會擠壓和拉伸鋁棒子的兩端。當然這裡面還用到了共振的原理，很複雜，就不深究了。十年後，1969年6月韋伯向全世界莊嚴宣布：我發現了引力波。但是，因為其觀測不具有可重複性，所以沒得到承認。但韋伯作為觀測引力波的先驅，獲得了世人的尊敬。

六十年代時，有兩個蘇聯人建議用干涉儀來測。再後來美國人外斯設計出了干涉儀探測器，從此棒子時代結束，激光干涉儀探測引力波的時代到來了。此番LIGO測到引力波正是用的這種激光干涉儀，具體方式已經很多人說過了，我在此不再贅述。

現在我要解答這樣一個困惑。也是我最早的困惑，就是LIGO檢測到了一個信號是不假，但憑什麼說這一定是引力波帶來的擾動，為何不是其他雜訊引起。尤其令我感到困惑的是，LIGO還繪聲繪色地說，這引力波是兩個黑洞合併所產生的。

困惑原因在於，我們人類就沒有直接觀測到任何黑洞，因為它連光都出不來，你憑啥去觀測；但有人說，我們可以觀測黑洞發出的引力波，問題是引力波我們之前也沒有觀測到。我們用兩個都沒有觀測到的東西、都是從愛因斯坦方程中解出來的東西，竟然要互相證明對方的客觀存在性，這個在邏輯上是允許的嗎？

我通過翻閱了LIGO發表的論文，事情原來是這樣的：LIGO及其他機構的科學家早就在理論上構建了雙黑洞合併的數學模型，然後對它倆高速環繞、最終合併的過程進行了計算機模擬，並計算出所發出的引力波的波形。這個波形有其自身的特點。換句話說，如果一旦LIGO從宇宙獲得了一個信號，而且這個信號與其計算機算出的波形幾乎一致，它反過來就會說：這個信號就是引力波，而且是兩個黑洞合併所產生的引力波。

為了解釋這個邏輯，我再打個比方。我們在現實中沒有見過饕餮這種怪獸，也沒有見過誰能一次把兩噸蘋果吃完。但我們通過神話發現，饕餮可以一次性吃完兩噸蘋果，而且連蘋果核都會吃進去，但會留下蘋果把兒。於是我們把兩噸蘋果放在在一個曠野里，來觀測饕餮的出現。結果有一天，我們發現兩噸蘋果都沒了，就只剩下了一堆蘋果把兒，於是我們莊嚴宣布：我們觀測到了饕餮、證明了饕餮的存在。就是這個邏輯。

這個推理是合理的，但有bug。萬一麒麟也可以這樣吃兩噸蘋果，發現饕餮的結論是不是就出問題了？所以LIGO發現引力波的是否正確，取決於計算機模擬出來的信號的確具有極大的特殊性，特殊到非黑洞合併不可能有這種波形的程度，那才能斷定所接受同樣波形的信號才一定是引力波信號。

此番雙中子星合併所產生的引力波在很大程度上彌補了這個bug。但是，引力波的發現的確是填補了廣義相對論的最後一塊拼圖，但這是否意味著廣義相對論已被證實，請閱讀我另一篇關於引力波與廣義相對論的回答。

七、雙中子星合併：引力波和電磁波

北京時間10月16日，全球科學家聯合宣布：首次探測到雙中子星合併產生的引力波，及其光學對應體。

之前LIGO和Virgo一共探測到4次引力波新號，但都是來自雙黑洞合併的引力波信號，不但持續時間特別短、只有不到一秒種，而且沒有伴隨的光信號可以佐證，因為在黑洞區域，光信號是出不來的。

而此番中子星合併就非常不同，不但其引力波信號長達100秒，而且還伴隨了各種電磁波信號，從而進一步佐證了引力波信號的真實性，故而引發全球天文學界的一陣狂歡。

這兩個中子星是在1.3億年前發生合併的，因為它倆距離地球1.3億光年，所以我們現在才觀測到。這比LIGO首次探測到了引力波要發生的晚的多，那兩個黑洞是13億年前合併的。從這兩個例子我們可以感受到，通過觀測引力波我們可以了解宇宙的過去、宇宙的起源，甚至為宇宙大爆炸理論找到新的證據。事實上，科學家利用此番中子星合併的各種數據，重新計算了哈勃常數，發現與之前的預估值一致，這說明我們過去對宇宙膨脹速度的推算基本正確。

目前物理學家期待能夠在未來觀測到黑洞與中子星合併的引力波信號，甚至能觀測到白矮星合併的信號。其實任何物體加速運動都會改變時空曲率、從而導致引力波，但質量太小物體所產生引力波信號微乎其微、難以探測，只有質量非常大的天體才會發出可被探測的引力波信號，例如超新星爆發、兩個黑洞合併、兩個中子星合併，白矮星的質量相對小一些，但隨著探測儀器精度的不斷提高，未來也有希望「聽到」、「看到」白矮星的合併。

引力波的探測和發現，將天文學帶入一個新的時代。

最後，向引力波研究做出貢獻的科學家致敬，同時謝謝各位的閱讀。

知乎相關回答

如何評價 LIGO 科學團隊宣布探測到引力波及其影響？----胡先笙的回答

謝邀，今天索性把之前欠的債都還了吧。
Disclaimer: 我不是做廣義相對論或宇宙學或天文學的；為便於理解，用詞不嚴謹，原理不細說。

1. 第一個問題：如何理解引力波？
床單上的一個鐵球會使平整的床單彎曲下陷，同理時空中的大質量物體會使時空彎曲。鐵球最先接觸到的那部分床單先下陷，隨後周邊也下陷，這個「下陷」有傳播的過程；同理大質量物體所引發的時空彎曲也有一個傳播的過程。
大質量物體運動時所產生的曲率變化會以光速像波一樣傳播，這一現象就是引力波。波經過觀察者時，觀察者發現時空扭曲了。這扭曲怎麼表現出來呢？
兩個自由物體之間的距離會隨著引力波有節奏地波動。注意，這個波動不是外力引起的，不是它們自己在跑。改變的是時空坐標本身的距離。
我們「看到」一樣東西是通過光。光是電磁波，電磁波勢必受到電磁場的影響。於是一旦你想要觀測的東西和你之間有其他外界電磁場干擾，你所獲得的信息就不會準確。
但引力波不會受到電磁場干擾，於是可以用來觀測很遠地方的東西。乃至早期宇宙。

2. 第二個問題：如何探測？可否給出實例？
引力波源包括雙星系統、脈衝星、引力坍縮和伽馬射線爆、大質量黑洞、宇宙大爆炸等等。簡單地說，只要一個系統在運動的時候輪廓有所變化，就能產生引力波。更準確地，一個系統如果有很大而且隨時間變化的四級矩，就是比較好觀測的引力波源。

1993年諾貝爾獎：赫爾斯-泰勒脈衝雙星在互相公轉時互相靠近，為引力波的存在提供了證據。

高中物理知道，變化的電場和磁場能鼓搗出電磁波電磁輻射，輻射就有能量損失。同理，引力輻射也意味著能量損失。對於一個雙星系統，能量損失意味著兩隻星星會互相靠近。如果你觀測到這靠近，也就間接觀測到引力波了。

2014年：哈佛一個組稱用BICEP2在宇宙微波背景中觀測到原初引力波，引起轟動，後發現此結果顯著只不過是因為有其他效應未排除，空歡喜一場。關於此，可參看以下兩個問題的回答：

引力波的發現在科學上有多大的意義？ - 天文學
宇宙大爆炸第一波的引力波震蕩是怎麼被探測到的？ - 物理學

一個及其簡單的科普，專為被刷屏的懵逼患者觀看。

1. 首先，我們想像時空是一個巨大的毯子。

任何一個有質量的物體都會讓毯子產生彎曲。
小球體，小彎曲。

大球體，大彎曲。

ok?

2. 然後，我們把時空想像成一個湖面.

球球讓湖面凹陷，彎曲。

如果球是靜止的，那麼對湖面的影響就是靜止的。
如果球是運動的，那麼湖面會起一陣陣漣漪，質量越大，運動越快，漣漪越大，這就是引力波噢。

這也是愛因斯坦廣義相對論中關於引力波的簡單論述。（後面有廣義相對論的完整科普）

我們這裡說的引力波，是兩個球在轉產生的引力波，如下圖。

兩個黑洞繞著跳舞會產生引力波，兩個人繞著跳舞也會產生引力波，只不過引力波非常非常非常小，很難探測到，只有大質量的球球才有可能探測到，兩個人產生的引力波就實際上是沒法探測到的了。

3. 三個條件。

我們由上面的論述得到探測到引力波的條件：
（1）兩個非常非常大的球
（2）他們繞著非常非常快地運動
（3）用比較牛逼的探測方法。

這次我們探測到的是什麼呢？
一個球球是29倍太陽質量的黑洞。
一個球球是36倍太陽質量的黑洞。
他們靠近，碰撞，併合成為了62倍太陽質量的下圖豬鼻子一樣的玩意兒。滿足了前兩個條件。

但是，唔，小學數學老師告訴我們，36+29=65，剩下的3倍太陽質量去哪兒了呢？？

以引力波的形式輻射出來了。

一個我不準備解釋的結論是：當引力波穿行時，它會拉伸或者積壓任何途中遇到的物體。

但問題是，這個拉伸或者壓縮都是非常微小的，最多大概只有10的負21次方，我們用普通的尺子肯定無法探測到，所以我們得用「光速」這把尺子。

激光經過一段距離。
-時間越長，說明距離越長。
-時間越短，說明距離越短。
這就是探測的基本原理，是不是超簡單噢？

我們的測量設備是一個巨大的「L」形，如下圖的兩個綠色的臂，兩臂的盡頭，我們可以理解為一個鏡子，激光發射然後反射回來，就可以測出兩臂的長度。

在產生時空的漣漪中，大家請仔細看上面兩個圖中方塊的變化，時空不停被壓縮，變成又高又瘦（如果不明顯的話請看下圖第一個黑色長方形），然後被拉伸，變成又矮又胖（如果不明顯的話請看下圖第二個黑色長方形）

也就是說引力波經過時，它會擠壓或者拉伸探測器的雙臂，一個方向拉伸，一個方向壓縮，我們用「光速」這把尺子（也就是通過光發射出去，再反射回來的時間）可以非常精確地測量出在哪個方向增長了，在哪個方向上壓縮了。

#如果是普通科普的話，探測原理說到這裡基本可以停止了，謝謝大家，有興趣的繼續往下看#

上面所說的是超級簡化版，實際上要複雜一丟丟，但應該也是能看懂的，不要放棄啊！！看圖！

如圖所示，激光穿過四千米長的真空管道，分別到達如圖所示的兩個鏡面處，再反射回來，當激光再次相遇的時候，我們把光想像成水波，兩束水波相遇，疊加，就會形成新的相干波紋，這是大學物理中所謂的干涉條紋，理工狗都該知道。

如果沒看懂，那你只要知道，激光再次相遇，形成了一些條紋。

根據我們前面說的結論，引力波經過時，它會擠壓或者拉伸探測器的雙臂，這個會對我們的條紋造成一些影響，造成一定的偏移，這個偏移，被LIGO團隊觀測到了。

再多說幾句廢話，LIGO讓入射的激光在很多鏡面來回反射，使得本來200W的激光功率倍增，激光超強，又用純二氧化硅打造鏡子，使得鏡子超亮，還有真空的環境。然後超牛逼地讓激光在4千米的探測臂中進行了400次的反射，使得探測臂的有效臂長為1600千米，由此得到了超顯著的探測結果。

大家意思意思地看一下這張激動人心的圖。

我們探測出引力波的意義相當於什麼呢？我們地球，是一個一生都聽力失聰的人，這一刻終於聽到宇宙說話了！是一個一生都瞎的人，這一刻終於看見宇宙了！

具體+簡化來講有以下意義：

一種全新的方式來探索宇宙，我們從用眼睛看，變成用望遠鏡看，那些都是光波，現在我們可以用引力波看。我們可以用引力波觀測用電磁波沒法看到的黑洞啦，還有佔了宇宙質量95.1%的暗物質和暗能量啦（你不需要知道這是啥），等等等等
引力是一種可以跨越不同維度的力（下面的科普中也提到了），通過研究引力波，或許有朝一日我們可以實現時間旅行噢！穿越噢！大家開不開心？
還有好多我懶得講了。

完結，請贊~（答案有疏漏錯誤之處拜託大家告訴我噢~）

好了這就是全部的視頻和文獻參考了，圖片來源我找不到了。回頭找時間我百度識圖一下會放上來哈。

p.s.

大家以後如果看見情侶轉圈跳舞而你是孤身一人。

別的單身狗受到一萬點的暴擊，而你只需要不屑一顧地說。

——————更多的科普大家可以不看——————

四種基本力

宇宙中已知的四種基本力包括強力，弱力，電磁力和引力。前三種力都存在於我們熟悉的三維世界中，好理解。

強力：原子核中，因為它的存在，使得都帶正電子的質子不至於因為相互排斥而分崩離析。
弱力：基本粒子中的另外一種力，比強力小得多。
電磁力：帶電粒子或物體之間的作用力。

引力：科學家門都很難解釋，這個玩意兒存在於時空中，即四維世界中，是唯一能跨越不同維度的作用力，也就是說，它能影響三維世界存在的第四維——時間。

廣義相對論

它告訴了我們兩個信息。

一個，我們所處的世界，是由三維世界和一維時間組成，你某個時間，在哪兒，就構成了你在這個世界的全部時空。

另一個，你或者物質怎麼運動和發展，取決於你所在時空的性質，而你所處的時空，會因為一個物質的質量大小而產生彎曲，比如一個超大的黑洞，就會讓周圍的時間變快或者變慢。

如果物體是靜止的，對時空的影響就是恆定的。
如果物體是運動的，對時空的影響就是變化的。
這個也好理解，一個船在一個湖面靜止不動，那麼湖面的凹下去的這個變化也會不動，一個船在湖面運動，湖面就會產生漣漪。

所以，廣義相對論是不是也超好理解？

很多東西都會造成引力波，比如黑洞形成啦什麼的，這些引力波都會造成地球上物體距離的變動，但變動的數量級超級小，大概只有10的負21次方。

我們很難探測到如此微小的變動，所以引力波——愛因斯坦廣義相對論的最後一個重要的部分，之前一直難以被證實。（現在被證實啦~）

參考文獻和視頻：

Usefully tutorial about Gravitational Wave: School of Physics and Astronomy, Welcome to Einstein Online, Gravitational wave spectrum
eLISA: eLISA - Make History (A New Astronomyhttps://phdmovie.com/http://www.letv.com/ptv/vplay/24606990.html

最後的最後，告訴大家一個小秘密，我是一隻冉冉升起的大V，走過路過不要忘了關注哇！

我們的「理工女」專欄剛好兩個月前寫過一篇文章：http://zhuanlan.zhihu.com/stemgirls/20283789

作者：聶品，湖北黃岡人，華中科技大學物理學本科，現南洋理工大學物理博士，城市小區域大氣方向。曾在德國普朗克愛因斯坦研究所實習。

圖：模擬兩個融合中的黑洞產生的引力波。來源：NASA

就在昨晚，筆者與小夥伴們一起圍觀了LIGO的新聞發布會，見證了一個新紀元的開端。「我們探測到了引力波！是的，我們做到了！」多少人在此時此刻熱淚盈眶！

這次觀察到的黑洞融合的事件，其實早在1993年出版的一本書里就有預測。93年出生的我，在其中感受到了科學家們為探索世界所作出的長久而不懈努力。我想，這次發現的意義遠超過一個諾貝爾獎，也不僅僅是對愛因斯坦廣義相對論的一個驗證，而是為引力波研究的世界開啟了一扇大門。

我心裡最激動的，大概是國內的引力波研究應該會從此蓬勃發展；衷心希望我們的科學家們——如中國引力物理學界的領軍人物羅俊院士等——也能見證到自己的探測器探測到引力波的那一天！

以下為舊文重發，希望能為大家科普一下引力波究竟是什麼，以及目前的幾種探測方法。

今年七月，曾有這樣一條科學新聞短暫地吸引了公眾的眼球——「諾貝爾獎級研究計劃啟動，中大百萬年薪全球尋人！」這一由中山大學領軍的項目，有一個好聽而意味深長的名字：「天琴計劃」。該項目致力於探測引力波，而將其稱為諾獎級別的研究計劃並不為過。

筆者有幸認識國內參與組建「天琴計劃」的幾位老師，並曾在德國普朗克愛因斯坦研究所（Max-Planck Institute for Gravitational Physics/ Albert Einstein Institute）的引力波探測天線組（eLISA）做過暑期實習，因此對引力波及其探測工作有所了解。在此，我想為大家介紹一下基礎物理學裡這個有趣的方向。

引力波是什麼？

談起引力波，就必須先講講愛因斯坦廣義相對論下的四維時空。在愛因斯坦的思想里，引力不再是普通的力，而被理解成時空結構的彎曲。比如地球繞太陽公轉這一運動，可以想像成在一個橡膠膜中間丟一個大質量的球，然後這個平面就凹陷下去了，於是地球本身的直線運動就會隨著空間結構的改變，變成繞太陽的旋轉。在2013年的大學生物理學術競賽（CUPT）中，我也曾做過這個實驗。

模擬彈性空間。來源：2013年國際青年物理學家競賽 IYPT

大質量的物體會改變空間的結構，而加速運動的物體則可能產生一種能改變空間結構的波。這一般被稱為時空漣漪，也就是引力波（gravitational wave）。

引力波作為愛因斯坦廣義相對論的四個預言之一（其他三個是：引力場內的時間膨脹，光的引力紅移，以及引力時間延遲效應），是最後一個被直接觀測到的現象。1935年，納森·羅森和愛因斯坦共同將著名的愛因斯坦場方程簡化到二維圓柱狀宇宙後，獲得了這個方程的解析解。正是在這個解析解中，他們發現了引力波的存在。

起初，科學界包括羅森和愛因斯坦自己在內都不相信引力波在實際意義上真正存在。他們起初將其解釋為在解方程過程中因坐標選擇而產生的人為產物，並嘗試發表論文聲明這一觀點。不過，霍華德·羅伯特遜，一位對廣義相對論非常了解的美國數學物理學家，在審閱他們的論文後，一針見血地指出這一觀點存在錯誤，並駁回了那篇論文。而後，在與愛因斯坦的討論中，羅伯特遜說服了愛因斯坦。然而直到七十年代，「引力波是真實存在的」這一觀點才幾乎被所有的物理學家所接受。[1]

根據愛因斯坦的預測，引力波經過的地方，時空的結構會發生波動性的改變。想像空間里的一個正方形，原本每個邊的長度是相同的，當引力波經過的時候，會擠壓或拉伸這個正方形，而使得它的邊長發生非常非常微小的變化。測量兩個方向上的距離改變，也就是測量引力波的基本原理。但是，由於這種改變非常微小，測量也就非常非常困難，以至於有時科學家們也會懷疑最終是否能夠測量到引力波。據說，一個激光干涉引力波天文台項目的領頭人曾在講座上說，「有時候我在床上躺在老婆旁邊，就在想，天哪，過去的20年我花了國家那麼多錢，卻沒有測到引力波。為什麼我還好好地活在這裡? 真應該自殺去!」

二十多年的努力卻沒有探尋到結果, 的確很讓人絕望。不過，科學家們始終堅持不懈，也是因為有點底氣。1974年，拉塞爾·赫爾斯在他博士最後一年寫論文的時段，跑到康奈爾大學的阿雷西博天文台做訪問學者，其間與約瑟夫·泰勒合作做了大量關於脈衝星的研究，並在其中發現了脈衝雙星PSR B1913+16。通過對其長期的觀測和深入研究，他們發現雙星之間的距離在以每天7.42mm左右的速度縮短，且周期在緩慢地衰減，說明能量在耗散。而能量的耗散，正是引力波存在的間接證據！因為這項成就，他們被授予1993年的諾貝爾物理學獎。

如何探測引力波？

跟電磁波譜一樣，引力波也有很多波段。

引力波譜。來源：NASA

不同波段上的引力波源，有不同的探測方法。例如來自宇宙大爆炸最初期暴漲階段的原初引力波: [2] 去年有新聞報道位於南極的BICEP2（宇宙泛星系偏振系統成像二代 Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2）測到了原初引力波信號，物理學界很是激動了一段時間。

原初引力波。來源：The BICEP2 Collaboration

理論上講，原初引力波會讓光線有一種特殊的偏振模式，於是科學家預言在微波背景輻射中能看到這種模式的旋（curl）。在南極的BICEP2設備上，科學家們的確觀察到了微弱但明顯的如上圖所示的旋。由於數據的極大相似度，旋的存在是毫無疑問的了。可是最終普朗克天文項目[3]發表報告，否認了這是原初引力波的直接證據，因為引力波並非這種旋存在的唯一緣由，還有可能是星際間的塵埃所致。這也是高能物理和宇宙學等物理分支中常存在的挑戰：即使觀測到了一個信號，也必須完全排除其他的可能性，找到充分且必要的證據，才能下結論。

另外一種探測引力波的方法是利用脈衝星（一種能持續發射射電波束的中子星）。經過計算推導預測，兩個星系中心巨大黑洞環繞而發出的引力波信號是10-8赫茲這個量級，而針對這個量級的引力波主要是藉助脈衝星來進行觀測的。脈衝星因其高速旋轉且周期穩定，在天文學上被用來記時。在毫秒脈衝星的發現之後，記時的精度更是大大提升。由於脈衝星的自轉軸和磁軸一般不重合，當有電磁波束掃過地球時，就能接收到一個脈衝。於是，科學家們使用地面上的射電望遠鏡觀測大量的脈衝信號，試圖在其中察覺到由於引力波引起的時間漲落，從而尋找引力波存在的證據。

而地面上的LIGO（以及設計略有不同的地面引力波探測激光干涉儀，包括德國的GEO，義大利的VIRGO，和日本的TAMA）和天上的LISA則都是使用激光干涉儀精密測距的方法來測量引力波。簡單來講，通過邁克爾遜干涉儀（下圖）來測量空間結構中兩個方向上的距離是否發生了微小改變。

邁克爾遜干涉儀。來源：維基百科

早在1999年，美國就在地面上搭建起來了兩座激光干涉儀引力波探測器，分別位於路易斯安那州和華盛頓州；但期間一直沒有探測到信號。於是他們停止工作了五年來升級系統，並在今年不久前完成更新，開始了首次觀測。由於靈敏度提高了3倍，測到引力波的可能性大大提高。就在昨晚，它們終於觀測到了引力波，實現了歷史性的突破！

激光干涉引力波天文台。來源：LIGO

而要想實現太空中的引力波探測天線的搭建工作，預計還需要二十年的時間去達到這一技術水平，也就是現在更名的eLISA計劃和國內今年剛起步的「天琴計劃」[5]。有興趣的孩子們可以關注一下哦，也許以後能去那邊工作呢!

eLISA目前的計劃是一顆主衛星，兩顆副衛星，主衛星和副衛星之間相距1,000,000km，有來回兩所束激光，分別形成類似於上文提到的邁克爾遜干涉儀的一個臂。

引力波探測天線。來源：ESA

由於在太空中，引力波探測器可以有效地避免低頻段的干擾，因此引力波探測天線能夠精確測量10-4~10-1赫茲頻段的信號。而根據理論物理學家們的計算，這個範圍內的引力波源會非常多，也就是說，測量到引力波的可能性會大大增加。

不過，為了實現引力波探測天線項目，有很多事情需要一步步去完成。目前我們已經能做到測量10-18米這麼小距離的改變，大概是原子核直徑的千分之一[6]。可是這還遠遠不夠；太多技術上的細節需要一步步測試和打磨。比如經過長距離的傳播，激光擴散到較大的面積之後，如何提高接受到的光信號強度？比如等效於邁克爾遜干涉儀上鏡子的測試物塊，需要完全隔除其他力的影響，怎樣才能實現？於是今年ESA（歐洲空間局）即將發射一顆名為LISA探路者的衛星，上面搭載了縮小版的激光干涉儀，主要改進在於臂長縮小了，如下圖所示。

LISA探路者內部細節，上圖最後全裝載到一個衛星裡面去。來源：ESA

在非常非常多的技術問題中，我參與的其實就是其中一個接受光信號的光電探測器（邁克耳孫干涉儀裡面的「detector」）。遠處傳來的微弱光信號通過望遠鏡聚焦成較小的光束，然後與本地的一束激光合束，干涉產生拍頻信號。光電探測器接收到這個信號後，先將光信號轉化成電信號，再將其中的直流量和交流量分開。接下來，通過放大電路將非常小的交流量進行大倍數的放大之後，再交給後面的相位計。從相位計中，我們就可以讀到由於距離改變而產生的相位改變。

哪怕是這麼一個小部件，為了達到非常低的雜訊和足夠高的放大倍數，也得花上不少功夫去測試和優化，才能做出滿足要求的高性能光電探測器。類似地，很多應用在引力波探測器上的技術，對相關的每個細節都提出了高於目前工業界的要求，這也側面促進了技術的發展。

在下一步行動中，激光干涉儀技術將使用在地球重力場測量的GRACE Follow-on[7]的兩顆衛星上，一方面可以在已經能夠派上實際用途的衛星項目中提高其測量精度，另一方面也是引力波探測計劃的一次很好的測試機會。

搭載激光干涉儀精密測距技術的地球重力場測量衛星 Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on。來源：ESA

科學家們就是這樣一步步去實現這個大計劃，相信中國將來的參與也會加快這一進程。

最後談一點小小的感受和做一個廣告: 這種程度的項目，跟大型粒子對撞機（LHC[8]）一樣，需要的不僅僅是物理學家，還包括理工科各個領域的人才。比如本科時我的科研組裡面，就有光電專業、機械專業和電子專業的博士學生。而我本科畢業設計做的光電探測器，其實交給電子專業的人來做會更有效率。「天琴計劃」的招聘方向里是這麼寫的：

1）引力理論：廣義相對論，引力理論，宇宙學等

2）空間引力實驗：月球激光測距，無拖拽控制，空間任務系統模擬和數據分析

3）精密測量技術：精密光學機械設計與分析，低雜訊電子技術等

所以工科的妹子如果以後有興趣，歡迎申請，你可以親身參與到引力波探測計劃中來哦！

其實我剛進組的時候，曾覺得大家做的事情很不可思議。甚至到現在，我也還是會覺得很多物理科研組在做不可思議的事情，比如尋找上帝希格斯粒子（higgs boson）和研究量子計算機等等。也許引力波探測在其他人眼中也是如此高深莫測甚至匪夷所思吧。

我想，物理學家就是這麼一群執著、堅定、理性而常常不被理解的人。但是如果認真去了解的話，你會發現他們都在兢兢業業地挑戰極限，不斷打磨每個細節，不斷提出新的方法和技巧，並一步步地接近和實現自己的夢想。

如今，引力波終於被直接探測到；在不久的將來，說不定我們能像《三體》中所描述的一樣，讓引力波真正派上用場呢！

參考文獻

[1] 引力波是如何從理論中發現的：科學松鼠會

[2] 原初引力波相關報道：解讀宇宙微波背景輻射B模偏振暴漲產生原初引力波

[3] 普朗克天文項目關於否認實際探測到原初引力波的聲明：Planck: gravitational waves remain elusive / Planck / Space Science / Our Activities / ESA

普朗克天文項目：宇宙背景輻射各向異性測量衛星，Planck衛星是WMAP衛星的後繼者，於2009年升空，2013年剛剛開始發布數據。Planck的觀測精度已經逼近所謂「宇宙方差」（cosmic variance）的極限

[4] 引力波搜尋重啟：引力波搜尋重啟

[5] 天琴計劃相關報道：中國啟動引力波探測「天琴計劃」

[6] YouTube Chanel: LISA Mission

[7] GRACE Follow-on http://gracefo.jpl.nasa.gov/mission/

[8] 大型強子對撞機：大型強子對撞機

[9] Barke, S., et al. (2015). "Towards a gravutatuibak wave observatory designer: sensitivity limits of spaceborne detectors." Classical and quantum gravity 32(9): 095004.

[10] Usefully tutorial about Gravitational Wave: School of Physics and Astronomy, Welcome to Einstein Online, Gravitational wave spectrum

[11] One way to get involved, Einstein@home: https://einstein.phys.uwm.edu/

[12] To design your own gravitational observertary: GWO Designer

[13] LISA Pathfinder: LISA Pathfinder overview / Space Science / Our Activities / ESA

[14] eLISA: eLISA - Make History (A New Astronomy

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不多說，直接上圖,情人節版。我朋友加速器學家@Ao Liu 畫的。

為 @Jing Ming的回答補充一個視頻：

Einstein"s Gravitational Waves Found At Last—在線播放—優酷網，視頻高清在線觀看視頻

在引力波發現被確認之後，理論物理學家Brian Greene製作了一個簡短的科普視頻，我剛剛把它轉到優酷上了。出處是：https://www.facebook.com/AlbertEinstein/videos/10153660858099843/

很直觀，但是英文的。馬上上課，暫時來不及翻譯了。

那麼就這樣=w=

更新：

剛剛Prof發來一篇紐約時報的文章，裡邊也有一個很棒的視頻，由Dennis Overbye、Jonathan Corum與Jason Drakeford製作。我也轉到了優酷上：

Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein』s Theory—在線播放—優酷網，視頻高清在線觀看視頻
出處：http://www.nytimes.com/2016/02/12/science/ligo-gravitational-waves-black-holes-einstein.html?ribbon-ad-idx=10rref=homepagemodule=ArrowsNavcontentCollection=Politicsaction=keypress?ion=FixedRightpgtype=article

希望來一個和我能產生引力波的，探測不到女友的引力波正常，如果探測到了那豈不是女友在和別人約會！不能忍！

況且我現在還沒有女朋友—,—

---------------手機添加分割線-------------
不請自來，獻上幾幅圖，純屬逗樂。

手機黨，分割線就算了。

自製邁克爾遜干涉儀。

iphone背板反射的效果還真不錯，激光筆換了南孚電池以後光強也增加了。右邊哪個小鏡子是口紅上的，奈何自由度太低，只能我手動調節了。

接下來是效果圖

三個光點，最後一個凸透鏡把從鏡子反射回來的光匯聚了，所以右側回來是兩個彌散斑，iphone反過來一個。

當然了，想出效果那是完全沒可能，純屬過年在家閑的無聊。引力波測量的那個系統，臂長就有4km，我這就是個玩具。那個系統對各種因素的要求簡直極為苛刻，光是減震這一項，如果沒有極好的可靠性，海浪拍打加州沿岸，甚至幾公里外大卡車經過都有可能對整個系統造成影響。

（大家可以試試用激光筆照一個鏡子，離遠一點，使勁往地上踩一腳，然後觀察之前與之後反射光的位置）

其實我做這個想說的是，我女朋友的引力波呢，怎麼還不來，我胳膊都舉酸了，挺急的在線等。

怎麼剛才答那麼多都沒發上來？……

好吧重新寫一下，力求簡單。以後應該先寫好了複製過來。

引力波是愛因斯坦廣義相對論理論的推論之一。（PS：不要告訴我廣義相對論是錯的，那樣我會精神崩潰的，如果您認為廣義相對論不靠譜……那求你別告訴我……）

愛因斯坦廣義相對論有很多的推論，均被實驗一一證實，就差這個。所以測量引力波是現在物理研究的熱門領域。至今沒有實驗測量到引力波。

既然說到波，就不能離開波源，任何波都有波源。例如聲波，波源是電腦旁邊的音箱，馬路上的汽車，或者打呼嚕的旁邊睡覺的逗比。例如光波，波源是燈泡，顯示器，或者太陽。而引力波的波源，是質量……嗯，就是這樣。越大質量的物體形成的引力波振幅越大。好像有點抽象了……下面慢慢講清楚……

需要注意的是，引力波，是存在於時間+空間的四維時空中的，來自四維時空的形變。你揉皺一張紙，是二維空間形變。壓扁一塊麵包，是三維空間形變。而引力波，是在時間+空間的四維空間中傳播的，來源於時間+空間的變形。在這裡，時間也是如同空間一樣，可以被擠壓變形的東東……愛因斯坦他老人家就是構造了這麼複雜的理論，這屬於廣義相對論的時空觀，在這裡時間也是如同空間一樣，是可以變形的，嗯，就醬。大家可以試著想想最近的《星際穿越》，男主角最後進到一個時間+空間的房間中。引力波就是在時間變形+空間變形，這種形式傳播的。

於是引力波的傳播介質，就是時間+空間。

我發誓下台筆記本換Mac，這破windows在我打字的時候後台安裝更新，用起來一卡一卡的。強迫症患者，必須開著自動更新。

繼續……

所以引力波的圖像，就是一個巨大質量的物體，例如太陽，行星，在時間+空間四維空間中激發的波。一般來講只有類似太陽，這種質量非常大的天體激發的引力波才有可能被實驗觀測到。所以現在實驗上就是在試著測量太陽的引力波。

實驗的idea非常簡單，就是大家喜聞樂見的邁克爾遜干涉儀，大家普通物理課程里應該講過。邁克爾遜干涉儀，就是將一束光分成兩束，分別經過不同的光路，最後匯合到一處，由於經過不同光路時候產生相位差，最後發生干涉效應。

那麼現在測量引力波，就是兩束光分別經過了不同的時間和空間，產生不同相位，最後匯合時候干涉。如果引力波存在，那麼兩束光經過的時間和空間不同，就會在最後產生干涉條紋。

於是就做吧。這台干涉儀大約多大呢？大概……嗯，每個光軸長度怎麼說也要比地球直徑大些吧。

我2333，這麼大的干涉儀，你逗比么？

就是需要這！么！大！的！怎麼辦？

衛星！搞三個衛星，分別是激光器，和兩個反光鏡，在宇宙中形成一個人類製造的最大的邁克爾遜干涉儀！這涉及到非常高的航空航天技術，這三個距離超過地球直徑的衛星，要組成干涉光路。話說做物理實驗時候大家是不是都被擺光路虐哭過，這裡你可以類比下這項工程的難度，需要多…少…錢…

雖然搞科研是不計成本，可是這也太貴了吧……所以是不是好幾個國家聯合起來搞這麼個東東比較好。於是這個計劃就提出來了，提交各個國家，看大家什麼意見。然後就談的差不多了，準備實施，然後就經濟危機了，然後這個計劃就被取消了……

於是就這樣擱下來了。

國內的話有幾家大學在做，我知道的是武漢的華中科技大學，有很大一個團隊在做，他們有一個山洞實驗室。idea就是在山洞裡能夠隔絕各種電磁輻射和噪音，看能不能通過干涉儀看到點什麼。非常歡迎有志於探測引力波的同學加入他們。他們還有一個方向，就是做衛星上用的光學儀器的。

就答這麼多吧。

據說這是米國科學家繪製的最新引力波幾何模型

PHD Comics: Gravitational Waves Explained

前幾天剛看了篇關於此的文章，半懂不懂的，也在這裡嘮叨兩句吧。我覺得引力波就是引力場的變動，當初愛因斯坦覺得這個東西其實很難探測到，所以他對於探測引力波還是有點悲觀的。不過現在也有人提出了探測方法，我記得是這樣的：三顆衛星組成等邊三角形，要求距離絕對一致，然後三者之間發射激光，要探測這三束激光之間的影響（大致是這個意思吧）。這時，如果出現引力波（管它是引力場變化還是時空波動，反正不會讓這三顆衛星同時受到其影響，必然有個先後順序），就會引起激光之間的那種影響發生變化，由此可以探測到引力波的存在以及測試其他屬性。這三顆衛星距離越遠，這種影響越明顯，越容易探測到引力波，但是控制它們之間的距離也越難。

實驗上探測有一種方法是利用光力學(optomechanics)，項目名稱是LIGO(激光干涉引力波探測)，簡單來說就是把一個光腔的一端做成可移動的(幅度很小)鏡子，引力波來了會帶動這面鏡子，光腔的特性會有所改變，從而檢測出相應信號。不過為了提高靈敏度，要先冷卻這面鏡子以減弱鏡子位置的布朗運動。
這個項目組給學生上課的課件網上有，題主有興趣可以查查看。

歪個樓~

蟹蟹 @區先森提供靈感來源=￣ω￣=
原文鏈接：區先森 100字內能寫出怎樣萌萌噠的故事？ - 區先森的回答

給題主推薦一本書：《愛因斯坦尚未完成的交響樂》。

這本書從引力波最基本的理論、歷史開始最終講到了LIGO的建設、運行和後續一系列探測儀器。我去年讀的，還沒見過比這個好的講引力波的書。

題主，我發現這個youtube的視頻正好能解決你的問題：
圖稍多，小殺流量，有中文字幕
尊重原創：https://www.youtube.com/watch?v=4GbWfNHtHRg

我第一次看到這三個字是

非專家，只說我大概知道的。數學上，引力波應是愛因斯坦場方程的弱場近似得到的線性微分方程的一個波動解，跟電磁波有類似的傳播性質，即傳播速度是能量傳播的最大速度，光速！由於場方程描述的是時空幾何跟物質的關係，所以物質變化造成時空幾何變化，反之亦然。比如，當有一個點源質量隨時間變化造成附近時空擾動，這個擾動可以向外傳播，即我們說的引力波，又會引起其他位置的時空幾何發生變化，想像一下池塘中投入一顆石子形成的水波...
至於引力波探測，我更不敢瞎說，只知道有一些地面的實驗在做，衛星探測計劃有人提，但是能否實施還是未知數，可能主要是錢的問題吧...

【學者：我們社會的正能量就是「引力波」】有社會學者指出，我們中國其實經常可以製造引力波，當一些符合核心價值觀的大事件發生時，就會產生引領社會風氣的無形的波，這就是引力波，不過是我們一直稱之為「正能量」罷了。而且，我們的這種「引力波」其實比黑洞、中子星等碰撞產生的引力波更強大。

出處@洋蔥日報社