1915年11月，爱因斯坦向普鲁士科学院递交了3篇论文，描述了引力场的正确方程，标志着广义相对论的诞生。根据广义相对论，物质的质量使得空间扭曲，而其加速运动就会产生引力波。不过这种波动极其微弱，甚而爱因斯坦本人都曾认为是不可能被探测的。不过，在2016年2月11日，美国国家科学基金会（NSF）召开新闻发布会，宣布高新激光干涉仪引力波天文台（Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，aLIGO）于2015年9月14日发现了一起由双黑洞并合产生的引力波。这一成就堪称广义相对论百年的最佳礼物。
位于美国西北部华盛顿州汉福德（Hanford，左）和东南部路易斯安那州利文斯顿（Livingston，右）的两座探测器，两者的信号将进行对比，以排除随机噪声的干扰。两者间距3002公里，正好相当于约10毫秒光程，有助于确定引力波源的位置。
穿越13亿光年的时空涟漪
富有戏剧性的是，aLIGO的未升级版LIGO，在2001～2010年9年的运转中都未能发现引力波，此后开展了持续5年的升级工作，升级后aLIGO于2015年9月18日正式开始工作。等等，上面说发现的引力波的时间是9月14日？没错，在正式运行前，aLIGO进行了一次工程试运行，而在试运行时，就发现了此前9年工作都未能发现的引力波！
这一机缘巧合发现的引力波被命名为GW150914，它不仅是人类第一次直接观测到引力波，也是人类第一次直接观测到双黑洞系统。GW150914的持续时间不到0.5秒，在0.2秒内其频率由35赫兹增加到150赫兹，从中可以分辨出黑洞碰撞过程中旋近、并合以及铃荡的全过程。
研究认为，这一引力波发生在据我们13亿光年的位置，两个原始黑洞分别为36倍太阳质量和29倍太阳质量，并合后形成62倍太阳质量的黑洞，其余的3倍太阳质量根据爱因斯坦质能方程E=mc2转化成了能量，并通过引力波向整个宇宙扩散而去。并合那一刻的功率，相当于整个宇宙电磁辐射总能量的50倍！
两座探测器收到的引力波信号和对应的黑洞碰撞阶段，信号与基于广义相对论的数值模拟几乎完全一致。信号首先在利文斯顿探测器被发现，6.9毫秒之后到达汉福德探测器，意味着这一引力波源位于南天区。
检验质子量级的空间变化
此次观察到的引力波GW150914，虽然释放的能量极高。但在地球上的峰值应变（strain）只有1.0×10-21，也就是每米空间产生的变化最多只有1.0×10-21米。而相比之下，原子的尺度约为10-10米，也就是1埃，质子的半径为0.84×10-15米。那么，如此微弱的变化是如何测量的呢？
答案是迈克尔逊干涉仪，也就是用分光镜把一束激光一分为二，将其分别反射后再进行干涉，同时调节光路使得干涉时两束光正好相互抵消。而当空间发生变化时，两束光路的长度也会随之发生变化，导致干涉时两束光不能相互抵消，如此引力波就被观测到了。aLIGO在端反射镜和分光镜之间增加了前反射镜，使得光在端反射镜和前反射镜之间多次反射以延长光路。aLIGO臂长4千米，激光在其中反射了400次，也就是说总的光路长达1600千米。如此乘上应变，可知此次引力波导致的峰值光路变化为1.6×10-15米，和质子的直径相当。
为了提高测量精度，aLIGO在激光光源和分光镜之间安设了能量循环镜（power recycling mirrors），使光源的200瓦功率提高到3750倍，变成750千瓦，从而让干涉图样更清晰、分辨率更高；由于aLIGO对空间变化极为敏感，所以需要尽可能避免环境干扰，aLIGO安设了多种减震系统，特别是反射镜减震系统的升级，对提高精度有着很大的帮助；光路所经之处均为真空管道，其压力仅有海平面大气压强的一万亿分之一；反射镜的反射率极高，每300万个光子中仅有1个被吸收。正是各个环节的尽善尽美，使得aLIGO成为世界上测量精度最高的设备，而测量此次10-15米量级的变化，甚至谈不上多么艰巨的考验。据LIGO的创始人赖纳·魏斯（Rainer Weiss）所言，自2015年9月至今，已经发现了若干强度较小，不过依然可能预示了候选引力波的信号，这表明9月14号的发现应该不是孤例。
值得一提的是，迈克尔逊在1883年发明干涉仪时，目的是检验光在不同方向的速度，进而研究光的传播介质—以太。然而他的实验却表明光在各个方向上的速度完全一致，否认了以太的存在，成为了当时物理学界著名的“两朵乌云”之一（另一朵是引发了量子论的黑体辐射）。随后，爱因斯坦从迈克尔逊干涉仪所证明的光速不变性出发，于1905年建立了狭义相对论。如今，精度大大提高的迈克尔逊干涉仪，又发现光速不变，而空间却会随着引力波而振荡，为广义相对论的验证补上了长久缺失的最后一块拼图。同一种仪器观测结果的不变和变，分别成为了狭义相对论和广义相对论的坚固基石，这恐怕是迈克尔逊和爱因斯坦在百余年前都不会料到的。
激光干涉仪探测引力波原理示意图
引力波天文学时代的到来
在远古时代，人类就会辨识天象。自伽利略发明望远镜以来，人类观测宇宙的本领突飞猛进，不但发明了口径更大、分辨率更高的光学望远镜，更是将观测波段扩展到了肉眼不可见的γ射线、X射线、紫外线、红外线和无线电波，为了避免地球的干扰，甚至能够将望远镜送入太空。但所有这些方法，究其本质都是收集在宇宙中穿梭的电磁波。而引力波观测不同，它观测的是空间本身的扭曲，不会被途经的障碍物所阻挡，能够一直追踪到宇宙大爆炸最初的瞬间。因此，aLIGO对引力波的成功观测，也宣告了引力波天文学—这一观测宇宙的全新方式的到来。
除了aLIGO，意大利的室女座引力波探测器（Virgo gravitational wave detector)、德国的GEO600引力波探测器以及日本的TAMA300引力波探测器已经投入使用，而日本的神乐（KAGRA）引力波望远镜预计将在2017年全面运转。欧洲空间局计划在2034年前发射3颗卫星以组成演化激光干涉空间天线（Evolved Laser Interferometer Space Antenna，eLISA)，通过激光干涉法测量相距100万千米的卫星之间的精确距离来观测引力波。
2016年2月16日，在aLIGO宣布成功探测引力波5天后，中国科学院举行“空间引力波探测与研究”媒体见面会，公布了一项2008年发起的空间引力波探测计划——空间太极计划。太极计划是一个中欧合作计划，目前有两个方案，方案I是以合作的方式参与eLISA项目，方案II是在2033年左右发射一组中国的引力波探测卫星，与eLISA的卫星同时进行引力波探测。中山大学也提出了同样由3颗卫星构成的天琴计划。此外，建造中的500米口径球面射电望远镜（FAST）和计划中的阿里天文台，也将间接参与到引力波的观测中来。
在不远的将来，我们必将探测到更多引力波，也必定能从中窥测更多宇宙的奥秘。
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