昨天出去腐敗，回來后發現，傳了快有一個月的“引力波疑似被發現”疑案終于有了個論斷了——
引力波終于被發現了！
2月11日，美國的LIGO項目[1]宣布，他們真的于去年9月14日終于發現了引力波。
這條消息其實上個月就已經被泄露了出來：
亞利桑那州立大學物理學家Lawrence Krauss發推說LIGO很有可能發現了引力波！[2]
當時對于這條消息，很多人都在懷疑到底是不是真的，畢竟LIGO本尊并沒有發布消息。而有位圈內人士更是如此評價Krauss的：
如果是真的，你是想盜取它們的榮譽；如果是假的，你在傷害科學的可信性。真的好像是個雙輸的局面。讓我說清楚：我認為推特上的物理學流言是最愚蠢的，而且對科學來說是最壞的。
于是，這次我們不但算是終結了百年的引力波存在之謎，也算是結果了LIGO到底有沒有發現引力波的小謎案。
為此，我們就來聊聊這次的主角引力波吧。
引力波的提出，當然需要追溯到1915年愛因斯坦最偉大的發現，廣義相對論了。
愛因斯坦在提出了他著名的狹義相對論后，下一個很自然的邏輯步驟就是將當時所有我們已知的物理定理做“狹義相對論化”。麥克斯韋提出的電磁理論是第一個很自然地就被“狹義相對論化”的，而下一個很自然的目標，就是當時另一種最主要的相互作用力，牛頓的引力了。
對牛頓引力的狹義相對論化的失敗，帶來的一個困難，就是如何突破牛頓引力論的局限來重新思考什么是引力這個問題。而這一探索的結果，就是將時空高度幾何化的廣義相對論。
愛因斯坦（和最著名的數學家希爾伯特分別）提出了著名的愛因斯坦方程，將引力描述為時空的彎曲，而將時空的彎曲與時空上的能量與動量的分布聯系在了一起，因此我們才有了一個沿用至今的全新的詮釋引力的框架：時空上的物質與能量會引起時空的彎曲，而時空的彎曲則會帶來引力效應。
這一現代標準的引力詮釋框架為我們帶來了一系列振奮人心的結果，包括叛逆的黑洞，神秘的宇宙起源，以及，只聞其聲不見其人的引力波。
當然，這里我們不得不說的是，在牛頓引力理論中也不是沒有引力波。早期將光速極限引入到牛頓引力論的時候是能得到很自然的引力波解的，這個過程就和麥克斯韋建立的自然包含光速極限的電磁理論中很自然地存在電磁波是完全一樣的。但牛頓引力中的引力波會帶來一系列難以調和的問題，比如由于牛頓引力的特殊性，發出去的引力波帶走的是負能量，也就是說，越是發出引力波，引力源的能量就越高，從而引力就越強。這顯然與常識相違背。
由于引力可以描述為時空的彎曲，所以引力波，從一個很形象的角度來說，就是時空隨著時間的“連續波動”。
我們可以想象一塊很大的布，布的形狀決定了布上物體的運動結果。一個漏斗形狀的布上，小球很容易滾到一起，而一個墨西哥帽形狀的布上，小球則會滾向邊緣。那么，如果我們不斷抖動這塊布，那么上面的小球就會一會兒聚攏向某個位置，一會兒又會從那里被拋開。
引力波就可以被認為是這樣的一類奇特的時空結構，它們在不斷律動著，“撕扯”著其上的物質們。
但需要指出的是，上述很“科普”的形象化描述，其實是錯誤的。
因為在上述例子中，我們是通過“布”的外曲率來判斷布的彎曲的，但在引力問題中，外曲率是不存在的（膜宇宙這種不考慮），所以我們只能通過內秉曲率來判斷引力是否存在。舉例來說，圓柱面在我們看來當然是彎曲的，但圓柱面的內秉曲率為0，我們所看到的曲率只是圓柱面的外曲率非0，所以圓柱面在我們看來是彎曲的，但其實卻不含“引力”。我們所熟悉的內秉曲率非零的，是球面，但布匹本身卻是圓柱面這種“看上去彎曲但內秉曲率為0”的存在，所以不是一個真正合適的類比。
由于引力的本質，可以看作是時空的形變，以及由于這種形變導致的物體運動的改變，因此自然就存在這么一個現象，那就是不同位置上的物質的運動速度的改變程度是不同的。
而引力波，就是這種不斷形變的時空形狀隨著時間不斷變化并將這種內秉形狀的改變不斷向外傳播，這么一種自然現象。
聽著是不是覺得很酷？
現在，讓我們假設我們有一根長棍，那么當引力波通過這根長棍的時候，這根棍子就會發生周期性的形變，一會被壓緊，一會被拉開。這樣的效應我們當然可以設法將其檢測出來，這就是引力波探測的基本思路。
1916年，愛因斯坦與合作者羅森一同，發現了一個軸對稱時空中的引力波解，正式拉開了現代引力波研究的序幕[3]。
有趣的是，就和愛因斯坦的多次“錯誤”比如宇宙學常數和黑洞一般（愛因斯坦曾說過引入宇宙學常數是一個錯誤，后來則發現將其認為是錯誤才是他一生最大的錯誤。另一方面，愛因斯坦本人也極力否認黑洞存在的可能性），愛因斯坦一開始是否認引力波的存在的，他和羅森一起，認為這不過是一個可以通過坐標變換來消除的“數學上有趣的結果”，并不代表真的物理現實。直到后來美國的相對論專家羅伯遜反復指出，愛因斯坦才承認他又錯了，但依然認為引力波必然是極弱的，以至于人們可能永遠無法發現它。
事實上，由于引力波帶來的形變（本質上也是一種潮汐力）與遭遇引力波的物體本身的尺度成正比，所以雖然理論上哪怕就是一粒沙子也能用來探索引力波，但實際上我們卻需要建造十分巨大的設備，才能使得引力波帶來的形變效應足夠顯著，至少顯著到能被我們的實驗設備探測到。
1957年，物理學家Weber最早提出了共振引力波探測儀，其主體就是一根超級巨大的鋁棒，長2米，直徑1米，重1噸。當引力波通過這根大棒的時候，大棒就會產生形變，而一旦這樣的形變與鋁棒本身的固有頻率接近形成共振，那么這個共振信號就會被探測器記錄下來。
這樣的設備當然有很多限制。比如本身尺寸不夠，于是很難探測到微弱的引力波信號。另一方面，由于采用共振手段，所以對于引力波的頻段也有極高的要求，并不是所有的強引力波信號都能被接收到。
一則趣聞是，1968年的時候，Weber宣稱他的引力波探測器探測到了引力波信號，但此后并沒有被復現出來，從而并沒有被認可。當然了，如果他的設備真的探測到了引力波信號，那么這個引力源一定非常非常強，否則以這么“簡陋”的設備，要探測到引力波真的是不大可能。
而，這次的主角，LIGO，本質上依然是上述的思路，但還是有所改變的——LIGO采用激光光路取代鋁棒來“感受”引力波帶來的形變效應，從而可以做得更長。而且LIGO也不再依賴于共振頻率，從而使得可探測的引力波頻率更寬更廣。而這次LIGO所探測到的信號，其總輻射能量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，但所產生的形變即便將整個地球都當作引力波探測器，也不過只有十個質子半徑的形變量。而以LIGO的雙臂而言，這樣的變化則小于質子直徑的千分之一——可見，如果當年Weber真的探測到了引力波，那該是多么璀璨耀眼的宇宙大事件啊！
這里還要提一下，由于在LIGO尺度上的形變只有質子的千分之一，所以通過尋常手段是很難探測的，信號非常微弱，尤其是量子漲落本身也會引起極大的干擾。因此在LIGO中采用了一種弱觀測手段，在不引起退相干或者量子塌縮的情況下“提取”出實驗信息，這是過去的Weber時代無法做到的。
在這里，我們也可以看到引力波的另一個非常重要的特征，那就是它的強度非常非常非常弱。
這點很大程度上源自于引力本身就是非常非常弱的一種力——如果將強相互作用力的作用強度定為1，那么電磁力的作用強度是1/137，而引力則小到可以忽略——只有10-39。
如此微弱的引力相互作用本身就注定了，對于引力波的探測必然是非常非常困難的。
另一方面，由于任何情況下物理定律都要滿足能量-動量守恒，于是在傳統的對于輻射的展開項中，偶極矩就必須恒為0了，引力輻射最高只能有四極矩。而，四極矩相對偶極矩，最大的問題就是隨距離衰減得更厲害。
比如，對于電磁輻射來說，其偶極矩和四極矩分別為：
因此，在宇宙尺度上，四極矩一般總是比偶極矩弱很多的，所以這又極大地增加了探測引力波的難度——至少，我們可以很清楚地知道，通過地球上人類現有的手段，是幾乎不可能制造出可以被人類自己觀測到的引力波的，對引力波的尋找只能將目光投向星空。
也因此，物理學家們除了設法直接探測引力波，也想出了各種別的方法來探測那些可能由引力波因此的附帶效應。
讓我們回到關于引力與引力波的描述上來——物質引起時空形變，這種形變就是引力，而這種形變隨著時間的改變與傳播就是引力波。因此，一個很自然的問題，就是這種形變當然是攜帶能量的，那么造成形變的源頭必然會在引力波的傳遞過程中損失能量[4]。因此，如果我們可以觀測到這種能量的損失，那么也就間接地證明了的確存在能量的輻射，從而在一個只有引力作用或者說引力作用為主要物理作用的物理過程中，這也就等于間接證明了引力波存在的可能性。
這樣的間接方法當然早就被人們想到了。
比如說，有黑洞或者中子星構成的雙星系統，兩顆星體會微擾著彼此相互旋轉，這個過程中就會釋放出引力波，而引力波的放出又會回過頭來使得兩顆星體喪失能量而彼此靠近[5][6]，從而這將導致雙星旋轉周期減小、引力波頻率升高。因此，如果我們觀測到有雙星系統的周期在不斷縮短，而且縮短的程度和由輻射引力波而帶來的周期縮短相同，那么我們就很有可能看到了引力波輻射的副產品——這種方案人們其實早就已經獲得了成果，其中最著名的例子是1974年普林斯頓大學的拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒利用射電望遠鏡所發現的赫爾斯－泰勒脈沖雙中子星（PSR 1913+16）了，利用30年連續觀察證明了廣義相對論的語言：周期變化率為每年減少76.5微秒，半長軸每年縮短3.5米。
這大概可以算是此前人類獲得的關于引力波的最有力的間接證據了。
而這次LIGO所探測到的引力波信號，其源頭也是這么一個雙星系統——兩個質量分別為36倍太陽質量與29倍太陽質量的黑洞，在經過漫長相互旋轉后，終于融合成了一顆具有62倍太陽質量的黑洞，將3倍太陽質量的能量以引力波等形式輻射了出去。
這一事件本身是極難遇到的，因為即便宇宙中雙星系統不少，但要找到大質量的雙星系統本就不容易，而最困難的部分是：絕大多數都并不會正好在你觀測它的時候它正好融合，且引力波的方向正好朝著你——還記得么？四極矩是高度方向性的。距離來說，前面說的那個間接引力波的證據，PSR 1913+16，按照理論預言，它還需要經過3億年才能融合。
另外也有一些方案，用于探測截然不同的引力波，比如觀測宇宙誕生時的原初引力波，這當然也是關于引力波存在的有力證據，而這項觀測于2014年被宣布觀測到，雖然結果在2015年3月被澄清原來是星際塵埃的干擾。
回到對引力波的直接探索上來。
正是因為引力波本身非常非常弱，而引力波又是比電磁波的偶極矩弱得多的四極矩的形式，所以我們在探測引力波的時候就面臨非常大的挑戰：引力波的信號很有可能會被別的事件引起的錯誤信號給掩蓋掉，這就不是簡單地提高實驗精度就能解決的問題了。這次LIGO將大數據挖掘的手段也引入到了引力波探測數據的分析中，用來甄別信號，這點大概可以算得上是一個不小的突破了吧。
也因為引力波相比電磁波實在是太弱了，所以麥克斯韋1865年預言了電磁波而赫茲1887年發現了電磁波“只”用了22年，而愛因斯坦1916年預言的引力波卻直到去年2015年才被發現，而直到昨天才被正式宣布確認發現了引力波。
那么，引力波的確認存在，究竟會為我們帶來什么呢？這是一個非常有趣的話題。
如果和電磁波做對比，那么引力波最顯著的特點就是：你幾乎不可能屏蔽引力波輻射。
大家都知道，只要一個法拉第籠，就可以將電磁波屏蔽掉。然而，由于引力的特殊性——引起電磁場的電荷有正負兩極，但引起引力的質量只有“一極”——這樣的事情卻不可能發生在引力波頭上。
換言之，引力波是不可屏蔽的。
非但無法屏蔽，引力波也是幾乎無法阻擋的，它具有完美的穿透性，可以通過任何物體。
因此，站在天文觀測的角度，一旦對于引力波的探測手段成熟，比如這次LIGO所展示的那樣，那么我們將可以獲得更多關于宇宙中超大質量天體的信息，且不會像電磁波觀測（無論是光學望遠鏡還是射電望遠鏡）那樣被擋住。
這將極大地拓寬我們的視野。
另一方面，假如說我們可以認為制造引力波，那它也將成為最佳的光速級信息載體，因為它不可屏蔽，具有完美的穿透性。
當然，LIGO這次探測到引力波并不表示我們已經掌握了發射引力波的能力，這是與發現電磁波完全不同的，因為電磁波的發現是通過人們自己制造的設備制造出的電磁輻射的觀測而得出的，但引力波的發現完全歸功于宇宙，人們并沒有能力制造引力波。
因此，這也就引出了一個相當具有誘惑性的可能：
人類現在等于是掌握了接收來自宇宙的引力波廣播的能力，雖然還不具備發廣播的能力。而我們又知道，引力波是宇宙廣播的理想介質。那么，一個很自然的問題就誕生了：我們是否有可能聆聽到宇宙中的廣播？或者問得更直接一點：倘若真的具有外星智慧，那么他們是否一樣會利用引力波來做通訊？如果真的有這種星際通訊的文明系統存在的話，人類又是否具備了旁聽的能力？
這是一個非常誘人的開放性話題。
回到關于引力波的現實來。
引力波之所以如此熱門，除了作為觀察宇宙的又一利器外，更加重要的，恐怕就是對關于引力的理論的驗證了。
廣義相對論說到底自然是一個經典物理理論，并不包含量子的性質，而我們都知道，量子引力才是關于引力的終極理論，雖然量子引力我們現在還沒有。
而，黑洞是將量子理論與廣義相對論不得不融合在一起考慮的天然環境。
因此，黑洞雙星系統甚至多黑洞系統的引力波，尤其是融合為一的瞬間，這一特殊時刻的引力波，被寄予了極高的能告訴我們關于黑洞更主要的是關于量子引力的關鍵信息的厚望。比如最近霍金推出的黑洞能還原信息，或者我國吳岳良院士的新規范引力論，如果可以在引力波問題上提供可驗證的不同于傳統廣義相對論的預言，那就會是非常具有重要意義的了，因為這樣就能將幾大類理論的可行性放到實驗臺而非寫字臺上進行一一甄別了，這點對于物理乃至自然科學來說，都是至關重要的。
因此，這次或者未來我們可以通過引力波獲得更多關于極高質量超致密星體的信息，那么無疑對于人類研究量子引力是具有極大推動力的——畢竟面對如此極端的情況，人類至少在短時間內是不具備做實驗的能力的，從而一切都只能“看天吃飯”。
除了這些直接與宇宙學或者物理學相關的領域，引力波的探索的另外一個可能的戰場，恐怕在于技術層面。
比如，比質子還要小的形變的探測，這其中涉及到的關于弱觀察與非退相干觀測的技術，對于我們研究很多問題都具有極大的價值，比如未來量子計算機中就非常需要這種不引起量子系統塌縮或者退相干就過去特定信息的技術。
還比如這次數據分析中引入了大數據分析的技巧，這對于未來互聯網或者更多更廣闊的線下數據分析領域，都是極具前瞻性的。
因此，從這點來看，引力波的發現就算本身不被大眾關注，其背后所用到的技術也會在未來極大地改變人類的生活。
就如一位數學大師說過的：
現代數學可能現在毫無用處，但卻可能在五年，十年，十五年或者五十年后，極大地改變人類社會與生活的面貌。這便是研究純理論數學的最大實際價值——備戰未來。
由于本人學識所限，關于引力波的科普也只能談這么多了。
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即“激光干涉引力波天文臺”，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，由位于美國路易斯安那州的列文斯頓與華盛頓州的漢福德的兩個引力波探測器構成。更多消息可以戳它們的官網。 ?
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關于引力波可以攜帶能量輻射出去這事，最初在愛因斯坦等人還對引力波到底是否真實存在存疑的時候，參加國際廣義相對論研討會的費曼通過一個思想實驗論證了引力波存在的必然性，其手段就是證明當時所發現的引力波解可以引起物質的位移，從而使發生位移的物體獲得能量，那么這勢必就證明引力波必然攜帶能量離開引力源，否則就違反了能量守恒，而這也就說明了引力波必然是物理上實在的，否則就無法攜帶能量。 ?
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這里做一個有趣的對比：地球與月亮構成的系統中，由于引力的作用，實際上發生的卻是月亮在不斷遠離地球。這是由于地球表面存在巨量的流體（海水），從而月亮對地球有一個潮汐摩擦效應，在將地球自轉減速的同時，也將地球由此喪失的角動量轉移到了月球的軌道角動量中（由于潮汐鎖定，月球從地球看來可以認為幾乎沒有自轉，所以轉移月球自轉角動量的部分就可以忽略了）。 ?
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這里有一個很有趣的類比。
在量子理論被發現前，人們對于原子中電子圍繞原子核旋轉一事也是存在極大的疑惑的，因為如果原子的結構真的是電子圍繞原子核旋轉，那么根據電動力學，這樣的運動必然會輻射電磁波，從而電子必然會逐漸失去能量，最終無法繼續繞著原子核旋轉而落到原子核上。
這就表示：任何原子都必然會發射電磁波，以及，任何原子都是不穩定的。
但，事實上，當時的人們知道，這兩件事都沒發生。
直到量子理論被發現，人們有了能級、軌道、電子云以及軌道躍遷這些概念后，這個謎案才告破。 ?
