獨家深度解讀引力波，全人類將迎來歷史新起點？
在各界對2017年諾貝爾物理學獎的預測中，引力波領域都是最大熱門，獲獎可以說是眾望所歸。遺憾的是，在LIGO的三位最初發起者中，加州理工學院物理學榮休教授羅納德·W.P·德雷福（Ronald W.P.Drever）在今年3月6日於愛丁堡逝世。
如今，Rainer Weiss、Kip S.Thorne、Barry Barish三人憑藉對LIGO探測器和引力波觀測的決定性貢獻（for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves）獲獎，也算可以告慰愛因斯坦、約瑟夫.韋伯、德雷弗等歷代先賢在天之靈。
所謂LIGO系統，是由兩個相距1865英里的孿生探測器組成。每個探測器擁有兩個長4公里的L形真空管，科學家會在其中發射激光束。
隨著激光束到達真空管的末端，它會碰到鏡子並被反射回相反的方向。在所有條件一樣的情況下，兩束激光理應在同一時間返回發射源。由於干涉效應的作用，這會讓射向光子探測器的光線相消。
然而，如果引力波通過了探測器，根據阿爾伯特·愛因斯坦在100年前做出的預言，這種波會拉伸一個真空管的長度，同時收縮另一個真空管的長度，從而破壞上述完美的干涉相消機制，讓光線到達光子探測器。
如今，大約有950名科學家參與了LIGO的研究工作，他們來自全美各地以及另外15個國家的大學院校，曾經光臨造就做專題演講的曹軍威，就是國際激光干涉引力波天文台（LIGO合作組織）的中國負責人。
曹軍威
對於引力波領域獲得諾獎的消息，曹軍威回復：
「
這一探測證實了阿爾伯特·愛因斯坦1915年發表的廣義相對論的一個重要預言，並開啟了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。
清華大學信息技術研究院LIGO科學合作組織工作組參與了引力波直接探測並作出貢獻。
中國亟需自主建設引力波天文台、培養跨領域人才、加強國際合作，進而帶動技術創新和科學發現，推動我國引力波研究的發展。
以下是曹軍威在造就關於引力波的精彩演講：
各位朋友下午好。我叫曹軍威，來自清華大學。我是國際激光干涉引力波天文台（LIGO合作組織）的中國負責人。
我今天演講的題目叫《你所不知道的引力波之美》。我2004年加入美國麻省理工學院激光干涉引力波天文台的實驗室，2006年回國，在清華大學創建了LIGO工作組，2009年我們加入LIGO。
我們加入這個組織工作了6年之後，在2016年2月11號，國際LIGO合作組織宣布直接探測到「引力波」。
今天我們想跟大家主要介紹三個方面的問題。
什麼是「引力波」？
我們怎麼探測「引力波」，為什麼很難探測？
為什麼我們認為探測到的是「引力波」而不是其他？
從科學工作者的角度，我會給大家一個非常詳盡的介紹。什麼是「引力波」？「引力波」從哪來？到底科學家直接看到了什麼？
我們直接看到的是這樣的一個波形。
這兩個波形在距離3000公里的美國兩個激光干涉引力波天文台被同時監測到。距離3000公里，光從一個天文台走到另外一個天文台的速度是10毫秒。
實際上這兩個波形它們之間相差了6.9毫秒。當我們把一個模型平移了6.9毫秒以後，把兩個曲線重合起來，大家可以看到關鍵的部分有非常高的重合度。這個就是我們觀測到的引力波的信號。
講「引力波」的時候，我們會說聽到了宇宙的聲音。很多年前我們有瞭望遠鏡，我們說這叫看到了宇宙。當引力波信號輸入到音頻以後，我們能聽到什麼？
最後一下，我們能聽到「Biu」的一聲，在頻率上它已經非常非常突出了。所以我們說聽到了「引力波」的聲音。
「引力波」從哪裡來？
雙黑洞。
大家可能都聽說過黑洞，它的質量很大，連光都逃逸不了。只有大質量的物體在劇烈的天體運行中，我們才有可能探測到「引力波」。
這對雙黑洞的併合經過了三個過程，第一個過程是旋進，過程中放出「引力波」。放出的能量使得它們旋進的速度越來越快，它們的距離也越來越近，當它們近到一定程度以後，兩個黑洞就會碰撞到一起。
第二個過程是碰撞，實際上就是一個「引力波」發射的過程。
第三個過程是衰減，它們形成了一個新的黑洞。這就是我們觀測到的「引力波」的一個波源，我們稱為「雙黑洞合併」。
這個過程釋放了「引力波」的意思是：有超大質量的物質，通過運動對引力場做了攪動，引力場中間的波動我們稱為「引力波」。
雙黑洞合併釋放「引力波」這個過程，不僅僅是兩個黑洞在旋繞，還包括了它周圍引力場的變化。它們合併以後，會釋放大量的「引力波」，我們稱為「引力場中的波動」，這種波動攜帶了巨大的能量。
什麼是「引力波」？
這要回到1915年愛因斯坦的廣義相對論。
廣義相對論想在幾分鐘之內跟大家講清楚，是一件不太可能的事情。不過可以給大家說一個最基本的概念：物質和時空是互聯的。
無論是這麼大的天體還是一個人，都是一個物質的存在。而物質存在的同時，周圍是有時空把物質聯繫在一起的。
最直觀的解釋就是太陽和地球之間的關係。為什麼地球會繞著太陽轉？牛頓的解釋是因為萬有引力。引力是一個超距作用，引力和質量成正比，和距離成反比。
愛因斯坦則從另一個角度來解釋。他不相信引力的傳播會是超距作用。他認為如果有一天太陽突然消失了，地球會怎麼樣？地球可能就會飛出去。
地球怎麼會知道太陽消失了呢？它為什麼會飛出去？愛因斯坦就解釋，太陽如果消失了，它的引力場就會變化，這件事通過引力場的變化傳遞給了地球，地球知道太陽消失了，於是它就飛出去了。這個關係叫物質引導時空彎曲。
我們剛才講了，有物質的同時，還有一個場的存在。而這個場就是時空。太陽因為質量很大，他把時空做了彎曲，地球並不是心甘情願圍繞太陽轉，它以為自己在走直線，但是它實際上受到太陽所形成的時空彎曲的引導。
時空引導物質運動，所以地球會圍繞太陽轉。物質跟時空是互聯的，這個互聯就體現在「引力波」和能量的交換。
在正常情況下不同時空之間很難發生作用。但在極端的天體條件下，比如我們這次探測到的黑洞併合的瞬間，發出了巨大的能量，以波的形式，從其他時空傳遞過來，到達了地球。
在廣義相對論的基礎上，愛因斯坦於1916年預言了引力波的存在。他認為任何加速運動的物質都會發出引力波。也就是說我跑兩步，你走兩步也可以有引力波，但這個引力波強度非常微弱，很難探測出來。
引力波會對時空產生什麼樣的作用？在多極的情況下，它在一個方向上會拉伸時間和空間，在另一個方向上會壓縮時間和空間。
這個怎麼理解？形象的理解就是：一張桌子，你用普通尺子去量，它是1米長。但如果尺子變了，你去量的時候，發現了這個桌子的長度也變化了。引力波導致的是尺子的變化而不是物質的變化。
雙黑洞合併導致時空彎曲，釋放出這個引力波的過程中，如果我們把時空的效果再加進去，會是一個什麼樣的情況？
我們附加了下邊這條線，是我們探測到的引力波的實際一個曲線。這是在不到1秒的時間內發生的一個事件：兩個黑洞已經非常非常接近了，它們的旋進導致引力波的放出，然後旋進越來越近。
大家能看到不僅僅是兩個物質間的運動，實際上是它們時空之間的相互作用。
當時空的彎曲作用逐漸接近，進入到非常劇烈的一個併合過程，在很短的瞬間釋放出了巨大能量的引力波，使得這兩個黑洞併合在了一起。這就是我們探測到的過程。
為什麼引力波很難探測？
一是因為引力波源距離我們很遠，二是即便有引力波，它跟物質的相互作用極小，一個引力波掃過你，你可能根本就沒有任何的感覺。
在地球上一個氫彈的爆炸，所產生的引力波的量級是10的負27次方時空上的變化，這是我們無論如何也探測不到的。
必須有大質量天體的極端運動，才能產生足夠讓人類現在能探測到的引力波。這個量級有多少？
我們這次探測到了在10的負18次方時空里，有四個格之間我們發現了其中一格的空間晃動了一下。
為了探測到這個信號，我們建造了一個激光干涉引力波天文台，它台的臂長有4公里長，兩個臂是垂直的，都有4公里。這裡能看到光學的激光器件，信號是從這裡被探測到。
這個天文台的基本工作原理是：一束激光打出來，翻成兩束，再反射回來，如果兩臂絕對等長，那在成像儀上就沒有信號。
如果由於引力波的作用使得一個臂壓縮，另一個臂拉伸，那就會在這個成像儀上產生信號。
時空都是相對的，唯有光速是絕對的，所以我們要藉助激光這個媒介來測量空間的彎曲。
我們來回放一下：我們想像的宇宙空間里，有著像水波紋一樣的時空分布。
如果這裡面有像黑洞這麼大的物質，開始在裡面對時空進行攪動的話，它就會不斷地釋放出引力波，這個引力波是在物質周圍，跟物質聯繫在一起。
旋轉越快、越近，引力波放出的能量就越大。最終這兩個黑洞併合在了一起。
經過我們後面的推算，我們探測到的這個引力波信號，發生在13億年前，經過了很多很多星系，最終來到了地球，這個過程只有一秒的時間。
而我們就在這一秒的之前的一個禮拜，把兩個天文台做好了，剛剛好可以達到能探測到它的精度。
所以你說幸運不幸運？你說美不美？
通過我們的波形，推算出這兩個黑洞的質量，一個相當於太陽質量的29倍，一個相當於太陽質量的36倍。併合以後的黑洞是62個太陽質量。
也就是說在不到1秒裡面，有三個太陽質量的能量，瞬間從物質導入了時空，產生了一個巨大的引力波。
大家可以想像這個量級：太陽已經存在了45億年，而且還將存在45億年，它生命全過程中釋放出來的能量，供地球用都用不完。
而三個太陽質量的能量，在不到一秒鐘的時間內釋放了出來，經過了13億年傳到了地球，我們才有機會在不到1秒的過程中捕捉到它、探測到它，這就是事件全過程。
為了做到這件事，我們的探測器達到了很多人類所能達到的技術極限。
第一是探測臂外面有一個罩，裡面是一個真空腔，這是全世界最大的真空系統，4公里長。
而且我們等於有兩個這種真空系統，它們在中間交叉了一下。因為真空能避免各種分子運動在空氣中的干擾，所以我們要在真空里才把激光束打出。
我們打的激光也不能是一般的激光。必須是能量高又穩定的激光才能實現精密測量。
反射這激光的鏡面必須質量非常好，激光打上去以後，由於熱運動鏡面開始變形，而必須排除各種干擾，我們才能探測到10的負18次方這樣的精度，所以這個鏡面也是特殊製造的。
懸掛這個鏡面的機械裝置是最穩定的一個振動隔離系統，外邊不論怎麼振，這個鏡子必須不動。
最後，我們需要一個數據的採集和分析系統。我本人是計算機專業出身，所以我更多的工作是放在這個系統上。
2015年9月14日，5點51分，這個信號被捕捉到，進入到我們的數據分析系統。
9月14號5點54分，在3分鐘之後，我們在線的程序流水線就發出了警告，告訴我們有這樣一個信號值得關注。
這個程序流水線的名字叫Coherent WaveBurst，它做了一件非常簡單的事情：計算這個波形的能量變化。
發現在兩個天文台捕捉到這樣的能量變化，而且時間差距在10毫秒以內，我們就把這個信號提取出來。認為這可能是一個引力波信號。
前面我們既講了什麼叫引力波的基礎理論，又講了我們怎麼探測到引力波。下面我就講一下，為什麼我們這麼確信這個信號就是個引力波，而不是其他的東西？
我們把收集到的16天的數據都輸入到這張圖裡面去，大家可以看到，左邊是代表我們所有的信號的背景，右邊這個點就是我們探測到的信號。
探測到的信號，遠離我們整個數據的背景，遠離的程度是多少？它的信噪比在23以上，它在天文上的標準顯示度達到了5.1σ值。在天文上，5以上我們認為就是一個新發現。
我們沒有機會對黑洞放出的引力波做實證的對比，因為我們現在還沒有任何方式能觀測到黑洞。那麼我們做了一個模擬的對比。
上面是一個黑洞併合的過程，這個紅線叫數值廣義相對論的一個模擬曲線，這個灰線是從第一張PPT的數據中重構出來的——一個我們認為是引力波的曲線。
大家能看到這兩個曲線的相似度在99%以上。在旋進併合到漸退的過程，它從35赫茲到350赫茲，在不到一秒的過程中劇變然後消退。
這不是一個普通的雜訊所能偽裝出來的信號，一個雜訊想偽裝成這樣的一個信號的概率，20萬年才會有一次。這件事加強了我們的信心。通過這樣一個對比，我們非常有信心：這是一個引力波的信號。
這項工作，有來自全世界一百多個科研機構的上千名科學家參與。從90年代開始建設天文台，到現在探測到引力波，歷經20餘年，清華大學是中國的唯一的參與單位。
這件事的理論意義，我想用這句話是最準確的概括了：
引力波的探測，是愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論在最極端最嚴格情況下的一個驗證。等於說是填補了廣義相對論四大驗證中最後的一塊板塊。
在天文上的意義在於說我們開始能夠聽到宇宙，打開了一扇探索宇宙的新窗口，開啟了引力波天文學的一個新時代。
未來的工作很簡單，這張圖標識了我們用兩個天文台來定位引力波源的一個精度。
這個精度還是很粗糙的，它不足以支撐我們未來精確的引力波天文學的研究。
未來我們要建設全球的引力波探測網路，這樣的一個網路在美國已經運行，在歐洲和日本建設，甚至在印度也開始籌劃，中國也在緊鑼密鼓的計劃中國主導下的引力波天文台的建設。
很多人都問我，你這個東西有什麼用呢？
現在我可以明確地告訴大家，沒有現實意義上能掙錢的應用。但是我想最起碼在剛才的幾十分鐘里，它給我們了一個機會，讓我們大家在一起去仰望星空。
引力波到底美不美？從剛才我給大家介紹的一系列數字之中，大家可以來想像自然和宇宙是如此的神奇。
13億光年，65個太陽質量，在一秒鐘之內放出了這麼大的能量，而在10的負18次方的量級上探測到引力波的存在。
實際上我想講的並不是自然有多神奇，我更想強調的是，人類居然能夠理解這件事，是不是更神奇？居然有愛因斯坦這樣的人，在100年前就寫下了方程，預言到了這件事。而在100年後，居然有人就能做出這樣的儀器，把它探測出來。
所以我想到底美不美，大家每個人心中都有你們自己的一個答案。
很多人也問我，到底時空穿越，星艦文明有沒有可能？我想沒有不可能的事情。
在演講的結尾，曹軍威說：
如果有一天，我們有了遠航的星艦文明，它將會回想和2016年2月11號這一天，人類探測到引力波。這是一個歷史的起點，而不是終點。
造就說：
公元2017年10月3號這天也將會被永久銘記，人類正式開啟了引力波天文學的新時代，形成引力波觀測觸發下的多信使天文學。
造就還曾經獨家專訪LIGO實驗室首席探測科學家彼得·弗雷斯切爾，深談引力波探測細節：
三位獲獎者
基普·索恩（Kip S. Thorne）
基普·索恩是美國理論物理學家，擔任加州理工學院費曼理論物理學教授，是世界上研究廣義相對論下的天體物理學領域的領導者之一，他的主要貢獻在於引力物理和天體物理學領域.很多活躍於相關領域的新一代科學家都曾經過他的培養和訓練。
基普·索恩曾擔任影片《星際穿越》的科學顧問，《星際穿越》上映前後，"諾蘭的Group"會至少發兩篇論文，一篇黑洞物理，一篇計算機圖形。2016年5月31日，獲得邵逸夫天文學獎。2016年12月4日，獲特別基礎物理學獎（共同獲獎）。
索恩的研究方向主要為相對論天體物理學和引力物理，著重於對相對論性星體和黑洞，特別是引力波的研究。
對於公眾而言，索恩最著名且富有爭議的理論可能就是他關於蟲洞或許能夠作為時間旅行工具的假說。不過，索恩真正的科學貢獻其實涵蓋了廣義相對論里以時空和引力本性為中心的幾乎全部的話題。
長久以來，索恩給予了LIGO儘可能多的理論支持，包括指明了LIGO所要探測的目標波源，設計了光束管道中用來控制散射光的反射板。
他還和莫斯科的弗拉基米爾·布拉金斯基的研究小組合作研究開發了用於新一代引力波探測器的量子非破壞性測量（QND）器件設計，並提出了降低影響引力波探測器的主要雜訊之一，即熱彈性雜訊的數種解決方案。
雷納·韋斯(Rainer Weiss)
雷納·韋斯，1932年出生於德國，麻省理工學院（MIT）物理學家，1966年便設想出一種探測引力波的方法，2015年9月1000名利用激光干涉引力波天文台（LIGO）開展研究的物理學家在兩個巨大黑洞位於距地球10億光年的地方相互圍繞著旋轉時，探測到其輻射出的脈衝波。2017年9月21日，獲得第二屆「復旦-中植科學獎"。
關於韋斯教授，造就曾發布過由《麻省理工學院新聞》（MIT News）做的專門訪談。（傳送門獨家專訪LIGO首席科學家：引力波可以用來發現外星人嗎？）
巴里.巴里什（Barry Barish）
巴里.巴里什，加州理工大學教授，LIGO實驗室現任主任，領導了LIGO建設及初期運行，建立了LIGO國際科學合作，他把LIGO從幾個研究小組從事的小科學成功地轉化成了涉及眾多成員並且依賴大規模設備的大科學，最終使引力波探測成為可能。
業界先賢
約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）
約瑟夫·韋伯，美國物理學家。1969年，韋伯宣稱，他已取得很多人認為是不可能的成就：探測引力波。這一宣布使人們立即對韋伯刮目相看，全美各地紛紛邀請他去做報告。但韋伯的名望很快遇到了挑戰，越來越多的人開始懷疑他所得出的結果的正確性，展開曠日持久的大論戰。
1969年底，韋伯在權威雜誌《物理評論快訊》上列出一系列零時延遲事件的超出值，並聲明這是真正的引力波跡象。這意味著，他探測到的每一個脈衝將意味著比人們所能想像得出的事件所爆發的能力還要高出幾百萬倍的引力波的閃爍。理論家們想像某個位於銀河系中心的黑洞可能會發射出強烈的引力波。人們開始相信韋伯的結論，天文學家們著手尋找引力波的可見跡象，他們每年都要搜索成千上萬顆恆星。
羅納德·德雷弗 （Ronald W.P Drever）
羅納德·德雷弗 ，美國加州理工學院物理學榮休教授。1931年出生於英國格拉斯哥，1953年於英國格拉斯哥大學取得理學士學位，並於1958年於該校取得自然哲學博士學位。2016年9月27日獲邵逸夫天文學獎。2017年3月6日在愛丁堡安詳逝世。
他在加州理工學院分別擔任客座硏究員(1977)、教授(1979–2002)和榮休教授(2002–)。他是美國人文與科學院院士及愛丁堡皇家學會院士。
2016年9月27日晚，邵逸夫獎2016年度頒獎禮在香港舉行。羅奈爾特·德雷弗、雷納·韋斯、基普·S·索恩獲得邵逸夫天文學獎，以表彰他們對「激光干涉儀重力波觀測站」(LIGO)的構思和設計。LIGO最近首次直接觀測到重力波，為天文探索開創了一個新方法，而它首先偵測到的非凡事例，是兩個星級質量的黑洞合併。
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