早晨一起来，相信有不少人和小编有同样的发现：“我的朋友圈被引力波刷屏了…”，物理所微信号后台有超过50条留言是关于引力波的，没错，就在昨天晚上，美国官方宣布LIGO直接探测到了引力波的信号——一段来自宇宙深处的时空涟漪，整个科学圈兴奋了，这无疑是科学史上重要的一刻，它验证了100年前爱因斯坦广义相对论的预言，它开启了人类观测宇宙的新篇章，它意味着我们离最终奥义或许又进了一步！
引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。引力波是一种时空涟漪，如同石头被丢进水里产生的波纹一样。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。100年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有引力波一直徘徊在人们的视线之外。
LIGO是美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造的两个引力波探测器，最近刚完成改造升级，其探测灵敏度相比2010年提高了约10倍。爱因斯坦1916年左右在广义相对论中提出引力波理论，认为聚集成团的物质或能量的形状或速度突然改变时，会改变附近的时空状态，效应就像涟漪以光速在宇宙传播。
引力波以光速传递，无法加以阻挡或阻挠。由于引力波产生的时空扭曲非常微小，在此之前科学家从未成功观测到。过去数十年来许多跨国科学团队都致力于找寻引力波存在证据，但引力波对于附近时空的冲击因距离地球太远，弱不可见，加深观测的难度。以地球和4.3光年之外的半人马座α为例，被引力波扭曲的太空可能只有一根头发般的变化。
在过去的六十年里，有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了无数努力。
其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据——脉冲双星 PSR1913+16。1974年，美国物理学家家泰勒（Joseph Taylor）和赫尔斯（Russell Hulse）利用射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星，利用它的精确的周期性射电脉冲信号，我们可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时他们轨道的半长轴以及周期。
根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此绕旋时，该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量，所以系统总能量会越来越少，轨道半径和周期也会变短。
泰勒和他的同行在之后的30年时间里面对 PSR1913+16 做了持续观测，观测结果精确地按广义相对论所预测的那样：周期变化率为每年减少76.5微秒，半长轴每年缩短3.5米。广义相对论甚至还可以预言这个双星系统将在3亿年后合并。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据，是对广义相对论引力理论的一项重要验证。泰勒和赫尔斯因此荣获1993年诺贝尔物理学奖。
在实验方面，第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯（Joseph Weber）。早在上个世纪50年代，他第一个充满远见地认识到，探测引力波并不是没有可能。从1957年到1959年，韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。最终，韦伯选择了一根长2米，直径0.5米，重约1吨的圆柱形铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器，被业内称为共振棒探测器。
当引力波到来时，会交错挤压和拉伸铝棒两端，当引力波频率和铝棒设计频率一致时，铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有很明显的局限性，比如它的共振频率是确定的，虽然我们可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。但是对于同一个探测器，只能探测其对应频率的引力波信号，如果引力波信号的频率不一致，那该探测器就无能为力。
此外，共振棒探测器还有一个严重的局限性：引力波会产生时空畸变，探测器做的越长，引力波在该长度上的作用产生的变化量越大。韦伯的共振帮探测器只有2米，强度为10-21的引力波在这个长度上的应变量 (2×10-21米) 实在太小，对上世纪五六十年代的物理学家来说，探测如此之小的长度变化是几乎不可能的。
虽然共振棒探测器没能最后找到引力波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河，在他之后，很多年轻且富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。
在韦伯设计建造共振棒的同时期，有部分物理学家认识到了共振棒的局限性，有一种基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波探测方案在那个时代被提出。到了70年代，麻省理工学院的韦斯（Rainer Weiss）以及马里布休斯实验室的佛瓦德（Robert Forward），分别建造了引力波激光干涉仪。到了70年代后期，这些干涉仪已经成为共振棒探测器的重要替代者。
激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见：首先，激光干涉仪可以探测一定频率范围的引力波信号；其次，激光干涉仪的臂长可以做的很长，比如地面引力波干涉仪的臂长一般在千米的量级，远远超过共振棒。自20世纪90年代起，在世界各地，一些大型激光干涉仪引力波探测器开始筹建，引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。
这些引力波探测器包括：位于美国路易斯安那州利文斯顿臂长为4千米的LIGO（L1）；位于美国华盛顿州汉福德臂长为的4千米的LIGO（H1）；位于意大利比萨附近，臂长为3千米的VIRGO；德国汉诺威臂长为600米的GEO，日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器在2002年至2011年期间共同进行观测，但并未探测到引力波。
在经历重大改造升级之后，两个高新LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测，而高新VIRGO也将于2016年年底开始运行。此外，欧洲的空间引力波项目eLISA和日本的地下干涉仪KAGRA的研发与建设也在紧锣密鼓地进行。
想要成功探测诸如GW150914的引力波事件，不仅需要这些探测器具有惊人的探测灵敏度，还需要将真正来自于引力波源的信号与仪器噪声分离：例如由环境因素或者仪器本身导致的微扰，都会扰乱或者轻易淹没我们所要寻找的信号。这也是为什么需要建造多个探测器的主要原因。它们帮助我们区分引力波和仪器环境噪声，只有真正的引力波信号会出现在两个或者两个以上的探测器中。
当然考虑到引力波在两个探测器之间传播的时间，前后出现会相隔几个毫秒。
经过4年不断升级和测试的高新LIGO终于在2015年9月初试锋芒。事实上，很多人都对2015年的第一次观测运行（O1）能否探测到信号抱有怀疑态度，因为它的灵敏度还远远没到最佳状态。然而，宇宙往往在不经意间给人以惊喜。甚至在O1没有正式启动时，GW150914就已经不期而遇了。万幸的是，O1采用的是软启动，所以在信号到达地球时，探测器已经处于工作状态了，采集到的数据也是可靠的。
在2015年9月14日北京时间17点50分45秒，LIGO位于美国利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了GW150914信号。这个信号首先由低延迟搜索方法来识别（这种搜索方法并不关心精确的引力波波形，它通过寻找可能为引力波的某些特征迹象来较快速地寻找引力波），在仅仅三分钟之后，低延迟搜索方法就将此作为引力波的候选事件汇报了出来。
之后LIGO干涉仪获得的引力波应变数据又被LSC的数据分析专家们拿来和一个海量的由理论计算产生的波形库中的波形相对照，这个过程是为了找到和原数据最匹配的波形，也就是通常所说的匹配滤波器法。图7展示了进一步数据分析后的主要结果，证实了GW150914是两个黑洞并合的事件。
后续跟进的数据分析结果还显示，GW150914是一个36倍太阳质量的黑洞和一个29倍太阳质量黑洞并合事件，在并合后产生了一个62倍太阳质量带自旋的kerr黑洞。这一切发生于距离我们十几亿光年以外的地方。LIGO探测器真实地探测到了很久以前发生于某个遥远星系的一个大事件！
将并合前的两个黑洞和最终产生的黑洞相比较，可以发现这次并合将大约3倍太阳质量（大约600万亿亿亿（~6×1030）公斤）转换成了引力波能量，其中绝大部分在不到一秒的时间里释放了出去。相比之下，太阳在一秒内发出的能量大约只相当于是四十亿（～4×109）公斤物质转换成的电磁辐射。实际上，令人惊奇的是，GW150914放出的峰值功率要比可观测宇宙中所有星系的光度总和还高10倍以上！
正是因为致密双星系统在并合前的最后阶段才能释放达到峰值功率的引力波，所以之前提到的还有3亿年才能并合的PSR1913+16双星由于正在释放的引力波强度还太弱，因此很难被探测到。
爱因斯坦的广义相对论自从100年前提出以来，历经了重重考验，从对水星近日点进动的解释，到1919年爱丁顿对日全食时光线偏折的研究，再到对引力红移的验证，每一次检验，相对论都从容应对。而这一次引力波的探测，更是有力地支持了相对论在强引力场下的正确性。至此，广义相对论的所有主要预言被一一验证，而这一个传奇的理论在经历了一个世纪的风雨后历久弥新。
有那么一个时代，人们以为物理学的大厦已经完整地建立，后世的物理学家只需要修修补补，把某些常数测得更精确一些。做出这个预言之后没多久，开尔文就与世长辞，遗憾未能见证他当年预言的“物理学天空的两朵乌云”把看似坚固的物理学大厦连根拔起，在废墟上挺立起新两座的高楼：相对论和量子力学。现在，似乎又到了物理学突破山穷水尽的时刻，又是一个后辈只能修修补补的年代，对于一个物理学家而言，生于这个时代似乎是不幸的。
可是，引力波的发现，又打开了一扇希望的大门。广义相对论和量子力学存在着根本性的矛盾，一直是现代物理学天际线上的一朵乌云。而极大质量和极小尺度的黑洞，是研究这一乌云最佳的着手点。引力波是唯一能深入探究黑洞的研究手段，作为物理学家，生于这个时代又是何其的幸运！所以说，引力波的探测，远远超出了检验广义相对论本身的意义。
2015年9月14日引力波的发现是科学史上的里程碑。
这一非凡的成就，凝聚了太多物理学家的心血，也是多少人魂牵梦萦的所在。我们有幸生在这个时代，见证物理学历史的重大进程。对于我们这些亲身参与其中的科研工作者而言，更是感到无比荣幸。
虽然我国目前在引力波领域的研究力量稍显薄弱，少有专门的研究团队，但是在LIGO科学合作组织中也活跃着不少中国人的身影，包括大陆地区LIGO科学合作组织的唯一成员单位清华大学，利用GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻；采用机器学习方法加强引力波数据噪声的分析；分析引力波事件显著性的系统误差等。
此外清华还参与构建引力波数据计算基础平台，开发的数据分析软件工具为LSC成员广泛使用。我们特别感谢对本文有帮助的几位LSC年轻同行们：罗切斯特理工的张渊皞，西澳大学的王龑、朱兴江和储琪，墨尔本大学的孙翎，伯明翰大学的王梦瑶，格兰萨索研究所的王刚等等。