很久以前，在宇宙深处，由两颗恒星形成的两个巨大黑洞——它们具有超强的引力场——碰撞坍塌至无限小的点，慢慢地合在一起。剩下的物质绕着彼此旋转，距离也越来越近，直到大约13亿年前，它们以光速一半的速度在旋转着，最后合并到了一起。这次碰撞撼动了宇宙：产生了空间和时间上的“波纹”——引力波。
五个月前，它们经过地球。而且，物理学家也是第一次观测到它们，完成了一项持续了四十年的对于宇宙的研究。
他们发现了引力波
这项发现标志着激光干涉引力波天文台（LIGO）1000位物理学家的胜利。LIGO是位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿的两台巨大的仪器。关于检测到引力波的流言已经流传了好几个月。2月11日，在华盛顿特区的一个新闻发布会上，LIGO小组将它公之于众。“我们终于做到了！”加州理工大学的物理学家和LIGO执行董事David Reitze说。“关于它的流言大多猜测到了这项研究结果。”
爱因斯坦在100年前就预测引力波的存在，但是，要直接观测到它需要超凡的技术实力和长时间的观测。（见下方的引力波探索历史时间表）。LIGO的研究人员发现，在来自宇宙的1021束波中，有一束使整个地球膨大了1 / 100000纳米——大约是原子核的宽度。这项观测以前所未有的精确度检验了爱因斯坦的引力理论和广义相对论，并提供了黑洞存在的证明。“这项研究会赢得诺贝尔奖，”巴尔的摩约翰·霍普金斯大学的一个理论学家Marc Kamionkowski说。
LIGO研究人员用“超精密尺子”来观测极小的空间扩展：它是两个L形的、4公里长的干涉仪。在每条臂末端的镜子形成很长的共振腔，激光光束以精确波长来回反射，就像管风琴一样产生共振。在双臂的中间，两条光束可以重叠。如果它们沿着臂传播了不同的距离，它们的波就会互相干扰。这将导致一部分光具有起伏不定的波，从被称为“暗口”的地方出去。
在干涉的过程中，研究人员就可以比较两臂的长度，精确到质子宽度的1 / 10000——足以检测到引力波，因为它会使两臂长度不一样。然而，为了能观测到如此微小的位移，科学家必须去除其它的振动带来的影响，如地震波、交通工具和远处海浪的声音。
2015年9月14日，通用时间9:50:45时，即路易斯安娜当地时间凌晨4:50，华盛顿当地时间凌晨2:50，LIGO的自动化系统检测到了这样的信号。振荡以每秒35个周期（赫兹）的频率出现，并加速至250赫兹，0.25秒后消失了。像这样的频率增加，即啁啾声，符合两个巨大天体互相旋转时发出的波的特征。在路易斯安娜和华盛顿之间检测到0.007秒的信号延迟也是符合科学道理的：以光速传播的波花了0.007秒从一台检测仪传到另一台检测仪。
LIGO研究人员在本应该发表在《物理评论快报》上的文章中说，这次观测结果的发布打破了物理学家常用于检测结论是否具有统计学意义“five-sigma”标准。这次观测的证据是如此的有力，从原始数据中就可以看出了。路易斯安那州立大学的物理学家、LIGO的发言人Gabriela González说，“只要过滤数据，这是显而易见的。”
与计算机模拟的比较表明，波来自两个分别比太阳大29和36倍的天体，在合并之前，它们在彼此相距210公里处互相旋转。只有黑洞——具有巨大的引力能量，其质量可以通过爱因斯坦的著名公式E=mc2计算——才可以在那么小的空间里压缩进这么大的质量，德国汉诺威引力物理研究所的LIGO成员Bruce Allen说。这次观测提供了另一种全新的黑洞存在的证据——而不是通过观测距离它们遥远的热气体或恒星旋转。Allen说：“以前，人们可以在理论上论证黑洞是否存在，而现在就用不着了。”
这两个天体的碰撞产生了惊人而不可见的爆炸。模型表明，最终黑洞质量总计是太阳的62倍，比初始黑洞的质量少了3个太阳的质量。失去的质量变成了引力辐射——质量转化为能量，正是这种转变使原子弹的爆炸看起来像是打出了一个火花。Allen说：“在碰撞的十分之一秒中，它们比银河系中所有的恒星都要亮，即产生的引力波更多。”
其他的恒星爆炸——被称为γ射线爆发，在一小段时间内也会比正常恒星要亮，但这次在黑洞中的爆炸则使其他的恒星爆炸黯然失色——在加州理工学院引导了LIGO发展的引力理论家Kip Thorne说：“它是迄今为止，除了宇宙大爆炸之外，人类观测到的最强爆炸了。”
5个月来，LIGO的物理学家都在努力控制这个消息的流通。通常情况下，大多数的团队成员都不知道这个消息是否真实。LIGO会定期将数据和称为“盲注”的秘密假数据混合，用来测试设备并保持研究人员关注他们的工作。但在2015年9月14日，盲注系统并没有启动。物理学家们最近才给这台机器完成了一项为期5年、花费了2亿500万美元的升级。在研究人员们激动地开启新机器，进行“工程运行”时，它其中的一些系统，包括盲注系统，并没有启动。因此，整个研究团队都知道，这项观测结果可能是真的。“那天我对此深信不疑。”González说。
不过，LIGO物理学家不得不排除每一个数据错误的可能，如它是一种恶意的恶作剧。“我们花了约一个月来检测数据是否真实。”Reitze表示。对于González来说，检查数据“是沉重的责任”，她说：“这是人类第一次探测引力波，所以不能有任何错误。”
证明了引力波的存在可能不是LIGO最重要的财产，因为也有其它一些引入注意的间接证据。1974，美国天文学家Russell Hulse和Joseph Taylor发现了两颗发射无线电的中子星（被称为脉冲星）在绕彼此旋转。通过对脉冲星计时，Taylor和同事Joel Weisberg发现这两颗星正在慢慢地不断彼此靠近——若它们在向外辐射引力波的话，它们就应该互相靠近。
引力波带来的科学前景使物理学家们激动。例如，约翰·霍普金斯大学的理论家Kamionkowski说，LIGO的研究结果首先表明，这样的辐射可以帮人们看到难以观测的天体，如这两个命运多舛的黑洞。“这为人们观测无数的恒星残余物打开的新的视角，我们知道它们在那里，但我们只看到了一小部分。”
这次观测也以前所未有的方式验证了广义相对论，Kamionkowski说。到现在为止，物理学家们只在引力较弱的情况下进行研究。通过研究引力波，他们现在可以实际地探索一些极端条件：在某物体引力场中的能量占了它大部分的质量——这是迄今为止，只在理论层面上探讨的问题。
人们观测到这次黑洞的合并，验证了广义相对论，麻省理工学院（MIT）的物理学家Rainer Weiss说。他曾提出了LIGO项目的原型。他说：“人们从爱因斯坦的理论中计算出的东西看上去确实就是这样。对我来说，这是一个奇迹。”
探测到了引力波标志着始于1972年、长达数十年的探索项目的顶点，当时Weiss写了一篇文章，构建了LIGO的基本设计。1979年，美国国家科学基金会资助了在麻省理工和加州理工的研究和开发工作，LIGO的建设开始于1994年。2亿7200万美元的仪器开始在2001年记录数据，虽然它是在升级后，才记录到物理学家预期的信息。
如果LIGO项目将获得诺贝尔奖，谁应该得到它？科学家说，Weiss是肯定能获奖的，但他却持反对态度。“我不这样想，”他说，“LIGO项目不应该因为探测到引力波而获奖。是Hulse和Taylor发现的引力波。”许多研究者认为其他值得的获奖对象有加州理工学院的Ronald Drever，该项目的第一负责人，对LIGO做出了巨大的贡献。还应该获奖的是加州理工学院的理论家Thorne，他倡导了LIGO项目。Thorne也不想获奖：“真正应该获奖的是努力实现的这个项目的实验者们，如Rai和Ron。”
同时，其他检测数据也可能迅速发布。LIGO研究人员仍然在分析升级后，探测器第一次观测得到的数据，在1月12日结束。他们计划在七月再次开始记录数据。意大利的一个研究小组希望其改建的VIRGO探测器——有3千米长臂的干涉仪——在今年较晚的时候开始运行。物理学家们热切期待着下一次引力波的到来。
从预言到现实：探索引力波
1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，将引力解释为质量和能量在时空中的扭曲。
1916年，爱因斯坦预言，当大质量的物体在以特定方式旋转时，就会导致“时空涟漪”——那就是引力波。
1936年，爱因斯坦重新思考了自己的理论，并在手稿中指出波并不存在——然而后来的手稿整理者发现其中有错误。
1962年，俄罗斯物理学家M. E. Gertsenshtein和V. I. Pustovoit发表了文章，描绘了用光学方法来检测引力波——然而并没有引起人们注意。
1969年，物理学家Joseph Weber宣称可以巨大的铝圆筒检测到了引力波——该研究结果不具有重复性。
1972年，麻省理工的Rainer Weiss独自提倡使用光学方法来检测引力波。
1974年，天文学家发现一颗脉冲星和一看中子星似乎正在引力波影响下慢慢靠近——这项研究获得了诺贝尔奖。
1979年，自然科学基金(NSF)资助了加州理工和麻省理工的LIGO项目的设计。
1990年，自然科学基金同意资助LIGO项目2亿500万美元。
1992年，LIGO项目在华盛顿州和路易斯安那州选址，并于两年后开始建造。
1995年，德国GEO600引力波探测仪开始建造，于2002年和LIGO项目一同记录数据。
1996年，意大利VIRGO引力波探测仪开始建造，于2007年开始记录数据。
2002年至2010年，初台LIGO的探测仪开始工作，并没有探测到引力波。
2007年，LIGO和VIRGO同意分享数据，形成了单一一条全球引力波探测网络。
2010年至2015年，2亿500万美元用于升级LIGO的探测仪。
2015年，升级后的探测仪在9月投入使用。
2016年，2月11日，NSF和LIGO研究团队宣布成功探测到引力波。
