2015年的9月14日，一個星期一的早上，雷納·韋斯像往常一樣查看了一遍LIGO列文斯頓的實驗數據，忽然，他注意到一個前所未見的奇異波形，他立即查看了LIGO位于漢福德的另一臺探測器的實驗數據。當相似的奇異波形赫然擺在雷納眼前時，他忍不住大叫，“啊，有人在搗亂！”
在經過了近五個月的研究后，激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）合作組于2016年2月11日宣布，這個奇異波形不是“有人在搗亂”，他們于2015年9月14日探測到的，正是愛因斯坦廣義相對論中推導出的引力波。它來自13億年前，一個質量為36太陽質量的黑洞與一個29太陽質量的黑洞的碰撞，然后并合為一個62太陽質量的黑洞，失去的3太陽質量轉化為引力波的能量。
在愛因斯坦提出相對論正好一百年后，人類終于第一次聽到了13億年前來自宇宙深處的“鳥鳴”。
盡管雷納很生動地描述了他發(fā)現引力波的瞬間，常人也依然很難感受到雷納當時的心情，要知道，在一百年前愛因斯坦提出廣義相對論之后，無數科學家都在想辦法探測引力波，幾代人皓首窮經做研究，沒有突破。而在此之前的22年里，雷納和數千名天文學家為之工作的LIGO項目，沒有任何發(fā)現。
2015年12月26日，2017年1月4日，2017年8月14日，LIGO又先后三次探測到黑洞并合產生的引力波。
2017年8月17日，為第四次探測到引力波而興奮不已的雷納在一個星期內收獲了更大的驚喜。LIGO探測到了約1.3億年前雙中子星碰撞產生的引力波！更幸運的是，這次的引力波恰好位于遠在意大利的Virgo探測器的盲點區(qū)，這大大縮減了引力波源定位的范圍?？茖W家很快將波源鎖定在一個僅31平方度的天區(qū)。一時間，光學，紅外，紫外，高能，射電，全球70多家天文望遠鏡都對準了長蛇座NGC4993星系。
前幾次的引力波，都是黑洞合并產生的，并不能直接觀測到，而LIGO第五次探測到的雙中子星碰撞，迸發(fā)出了熾烈而耀眼的火光。
用天體物理學家張雙南的話來說，“人類不但聽到了天體結合發(fā)出的美妙歌聲，而且也看到了它們相愛迸發(fā)的煙花！”
從此，在浩淼的宇宙面前，“人類終于耳聰目明了”。
這場用引力波和電磁波一起看到的宏大宇宙煙火，也意味著，人類從此邁進了多信使天文學時代。
自1985年起，半數以上榮獲諾貝爾物理學獎的研究成果均來自20多年前。而今年的物理學獎，毫無懸念地火速頒給了兩年前首次探測到引力波的科學家，LIGO的創(chuàng)始人、領導者雷納·韋斯（Rainer Weiss），基普·索恩（Kip Thorne）以及巴里·巴里什（Barry Barish）。而對這次火速頒獎，學界普遍認為，是眾望所歸，而引力波，也毫無爭議地登上了科學2017年十大發(fā)現的榜首。
在瑞典接受了諾貝爾獎后，懷揣著嶄新的獎章，三位科學家的第一站，來到了中國，在上海接受了復旦-中植科學獎后，雷納?韋斯和基普?索恩來到北京師范大學，接受了網易科技等媒體的采訪，并在未來論壇上進行了長達兩小時的演講。其中，雷納?韋斯講解了引力波的概念，探測器的設計和在引力波方面的最新發(fā)現，基普?索恩則詳細描述了幾代人探索引力波的過程，和引力波未來的種種可能。
引力波的概念抽象深奧，兩位教授的演講卻并不艱澀難懂，讓沒有物理基礎的觀眾也聽得津津有味，并一起為人類歷史上里程碑式的發(fā)現而激動。這大概是因為，兩位教授在耄耋之年，仍保持著對科學無限好奇的童心。雷納在之后的對談中表示，他們特別喜歡給小孩上科普課，“只要你不用什么大詞，給孩子們講彩虹是怎么形成的，他們會特別特別激動。”而驅動人類數百年仰望星空，孜孜不倦探索，并最終與引力波相遇的，大概也正是這種孩童原初時就具有的好奇本能。
網易科技根據現場錄音聽譯，整理了兩位諾獎得主的演講。分成兩部分推送，后續(xù)還會推出基普·索恩的演講內容以及網易科技與兩位諾獎得主的對談，敬請關注。
以下是雷納韋斯的演講全文，略經編輯：
謝謝，很高興來到這里。我們會把演講分為兩部分，我想給大家講一下引力波的概念，我們是如何探測引力波的，以及我們在引力波方面最新的發(fā)現。Kip 會給大家講一下理論，并探討一下引力波未來的種種可能。
首先想給大家講一下愛因斯坦在引力方面的貢獻，尤其是與牛頓理論的不同。
牛頓的萬有引力大家可能在高中已經學過了。萬有引力定律稱，任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。
這個定律在物理學歷史上非常重要，后來被愛因斯坦的一個非常有趣也非常復雜的想法所代替。愛因斯坦讓這個想法越來越接近我們現在所探索的部分。
牛頓理論中有哪些問題呢？在愛因斯坦看來，錯在兩點。第一，是在高速運動的大質量物體之間，萬有引力是有問題的，在牛頓的理論中有一些小的誤差，比如著名的水星進動問題。
另外一點是，在牛頓的萬有引力定律中，引力的傳播速度是沒有被考慮進去的，牛頓認為，引力是立即作用的，沒有時間差。而在1905年的狹義相對論中愛因斯坦提到，引力的傳播速度是不能超過光速的。當然在這里我不給大家解釋這個等式了，因為這不是我今天講的主要內容。但是我們可以給大家大概講解一下里面的內容，這張圖能夠幫助大家理解這樣一個理論。
在這里大家能夠看到有這樣一個網絡，你可以把它想成一個小孩的攀爬架，每個格子都是正方形的。在中間，太陽出現的位置，正方形的格子發(fā)生了彎曲，網格中的一些直線會變成曲線，空間被扭曲了。在旁邊是地球，地球所帶來的空間扭曲比較小。如果在這些所有的線中放一個鐘表的話，大家就能夠發(fā)現以下現象：在遠處，在未發(fā)生扭曲的正常方格的鐘表記錄的時間都是一樣的，但是放置在扭曲空間的鐘表就會走的更快一些。
所以，愛因斯坦的理論在兩個方面代替了萬有引力。
第一，引力不再是一種力，質量讓引力產生了空間的扭曲，同時也帶來了時間的扭曲。然后，愛因斯坦的理論表示，正是這種時空的扭曲，取代了所謂引力，導致了產生引力的物體的運動。時空告訴物質如何運動，而物質引導時空如何彎曲。這就是我希望大家理解愛因斯坦理論的方式，Kip可能會有更好的解釋方式。
下面我想快速解釋一下，在愛因斯坦的理論中，什么是引力波。引力波的來源是因為有加速運動的物體，而愛因斯坦的預測是，這些物體之間會有一種波以光速傳播，也就是引力波。現在我們知道，物體間確實有這樣的波，而且是傳送波。
在二維圖片中我們能看到，有很多波和物體，這些波或者傳向你，或者傳向屏幕深處。這個圖如果一直看你可能會有點頭暈，但如果你站在圖的中間，也就是紅色的方框里面的話，你會發(fā)現，空間在一個維度被拉伸的同時，在另一個維度上你也能感覺到對應的壓縮。
你還會觀察到另外一件事情，這可能需要更多的分析才能講明白，就是當你站在這里的時候，你會發(fā)現，離你最近的這兩個點，它們的移動范圍并不大，反倒離我們越遠的點移動的范圍就會越大。這個圖告訴我們，引力波是怎么樣來改變物體之間的距離的。物體運動的幅度與原本物體間距離成正比。盡管每個點都是分別存在的，但也會隨著整個時空的扭曲而發(fā)生變化。換句話說，在任何一個方向上，物體位移的距離，除以物體間的距離，可以得到一個常數，我們稱之為應變（strain）。我一會兒還會詳細講一下。
如果要以最簡單的方式來檢測是否有引力波，要怎么做呢？下面我用一個可視化的模型給大家展示一下，我們如何模擬引力波，LIGO就是這么做的，它先是模擬了引力波。
我在這邊有一個動圖。想象引力波從左下方往上傳播的時候，我們在左手邊有一個激光的發(fā)射器，這是激光，雖然長得不太像。在中間有一個分光器，也就是把光線做一個分割，這個激光照射到分光器上面就會產生一個分割，有一部分會分到左手邊的鏡子，有一部分會去到右上方的鏡子，激光反射回來，然后匯合到探測器上進行測量。兩邊的光傳播的時間是一樣的。我們可以把鏡子試想成一個點，也就是我們剛剛在正方形上的紅點，代表了二維空間的相等距離。
在動圖中，紅色的部分就是激光，光里面曲線是光的電場，理想情況下，激光通過兩邊鏡子的反射回來，因為有這個分光器阻擋，所以光無法進入探測器。那引力波是怎么做的呢？因為空間被扭曲，它把一側鏡子挪近，另一側鏡子挪遠，結果就是，探測器探測到了激光。不管扭曲讓這個路徑變成什么樣，鏡子的距離都不再相等了。只要距離不再相等，探測器就能探測到激光。這就是引力波探測器的最原始的原理。
這個想法是很簡單的，但是隨后Kip跳了出來，說，嘿，事情沒你想象得這么簡單。因為，第一，有我們剛剛所說的應變。Kip Thorne做了非常多的工作，和他的同事們一起找到了非常多的證據。我們發(fā)現，應變至少要在10的負21次方之下，才能測量出引力波。這是一個非常非常小的數值。
假設你達到了如此高精度的測量水平，能測量出這個應變，試想測量一個四公里長的引力波，這也是最終建成的引力波探測器的長度，最后我們會得到這樣的一個位移的數值——4×10的負18次方的長度，這意味著，你要測量一個東西，它經過了四公里只移動了一個核直徑的千分之一的距離，比納米還要小很多很多，非常有挑戰(zhàn)性。這個挑戰(zhàn)來自于兩方面，一方面是，你要測量鏡子的位置變化，這個變化細微到只有光波長的10的負12次方，另一方面，你還要確保鏡子本身不會因為非引力波的原因產生晃動，這是測量中更困難的一部分。這也是為什么我們花了如此長的時間才探測成功。
關于第一個問題，我們花費了很多年，研究出了新的設備，有非常多人都對這樣的一個設備做出了貢獻。
我們在這邊可以看到這樣一個探測器，我們的LIGO探測器也是基于這樣的原理所制造和搭建出來的，我們在這邊看到有激光，這邊是分光鏡，分光鏡剛剛我們也展示過了，左手邊有一面鏡子，另外后面部分也有一面鏡子，分光鏡可以把光線分成兩個部分，然后我們在兩邊的鏡子和分光鏡中間又各加了一面鏡子，這樣光不是只反射一次，而是不停反射，可以達到400到500次反射。
大家可能沒有注意到，當探測器沒有探測到光的時候，我們可以證明到這個光去到了兩面鏡子當中，它的路徑就是沿原路返回，反射回來之后回到分光鏡再回到激光的發(fā)射器。但是我?guī)孜煌孪氤龅男碌穆斆鬓k法是，如果在激光發(fā)射器和分光鏡之間再加一個鏡子，這些回來的這些光，它會再一次受到這個鏡子的反射，再回去分光鏡，這和激光發(fā)射器出來的激光又發(fā)生了一次干涉，起到了一個抵消的作用。我們的目的就是讓激光發(fā)射器中所有的光都在這個空間里面不停地反射，反射500次，500次太多，大概200次，這大大增加了引力波探測器的敏感度。
這只解決了第一個問題，那另一個更難的問題是怎么解決的呢？我們在這邊有兩個鏡子，把它們做成鐘擺的形狀，如果我飛快地小幅度搖動這個鐘擺，底下吊著的鏡子應該是保持不動的，而這兩個美麗的鏡子就是用來反射激光的。
這個擺不是做一次，而是做四次。在下圖中，我們可以看到一共是四個鐘擺。使用這個鐘擺裝置，我們可以把鏡子從地面的振動中隔離開來，而這只是我們解決方案的一部分。這個鐘擺裝置放在一個很復雜的大型裝置中，左邊是整個大型裝置的組裝圖。
這個完整的裝置是什么呢？它能夠測量我們地面的運動，同時，當測量到地面的運動的時候，這個裝置重置一下平臺，抵消掉來自地面的運動。就像我們坐飛機的時候，有的時候會戴降噪耳機，降噪耳機發(fā)出的聲波，可以抵消掉飛機的噪聲。這個裝置也是同樣的原理。
現在我們終于講到了LIGO。LIGO是兩個非常大的引力波探測器，一個在華盛頓，另一個在路易斯安那。還有其他探測器，有在意大利的Virgo，還有德國的GEO600，他們都是探測器，引力波探測器形成了一個網絡。
大概一年半之前，在9月份的時候，LIGO觀測到了一個波形，波的曲線一開始沒有什么，然后突然變得非常陡峭，下圖左右分別是在華盛頓和路易斯安那所觀測到的波，兩地之間相差8毫秒的光速距離，現在已經有很多證據表明，引力波是以光速傳播的。
上圖第二行的圖表是理論上引力波的波形。第一行理論上的波形和實際上的波形的對比，可以看到這個理論上的圖繪制得很好，非常準確。最下面展示的是兩個黑洞互相之間繞轉產生的引力波。豎軸是頻率，橫軸是時間，我們可以看到它的頻率在不斷地變化，隨著時間的推移。我們可以看到他們之間的間距是越來越短的，曲線的間距越來越短，同樣，左右兩邊的圖很相象。
這是兩個30太陽質量左右的黑洞不斷地彼此運動產生的引力波，可以看到兩邊應變的變化，這是我們最開始所觀測到的。在產生引力波的同時，消耗了三個太陽質量的能量，這是非常巨大的能量消耗。我們認為這就是第一次觀測到的引力波。之后，探測器日復一日的工作，我們又觀測到了第二個引力波，這是兩個相對較輕質量的天體，信號比第一個微弱些。然后又觀測到了第三個，每一個是在不同的觀測點。這個天空的圖展示的是引力波方位的大體范圍。因為只有兩臺探測器，我們只能畫出一個香蕉形狀的大體范圍。這個香蕉形的區(qū)域大概有一千平方度。前兩個引力波我們都無法判斷它的具體方位，這是只有兩臺探測器導致的問題。
然后最近在今年8月份的時候，我們第三次探測到引力波，它不僅僅是在利文斯頓和漢福德被探測到的，在歐洲的Virgo也檢測到了引力波，?Virgo的檢測讓我們縮小了引力波所在的范圍。未來如果更多的探測器，我們就能夠更多的得到關于引力波信息的來源。
在這之后，我們又發(fā)現了最讓人激動的現象，當然之前探測到已經是非常令人激動的了，而這次觀測簡直讓我欣喜若狂了。我們非常幸運，在同一個月中，就在我們打算關掉探測器之前，我們又觀察到了另外一個現象，這次觀測到不是黑洞了，而是在這兒，大家能夠看到，這是關于時間，這是關于頻率等等這些信息，所以我們把頻譜進行了整合，我們能夠看到把兩個地點所觀測到的頻譜進行了整合，包括在華盛頓和路易斯安那。但是Virgo沒有觀測到，這點很重要，一會兒會說到為什么Virgo沒有觀測到。這次引力波持續(xù)的時間非常長，同時我們還觀測到了伽瑪射線。
考慮到Virgo沒有觀測到這一點，我們在Virgo和LIGO鎖定的區(qū)域進一步縮小了范圍，提高了觀測精度。鎖定了銀河系中的NGC4493星系到位置。然后用光學望遠鏡等儀器輔助，幫助我們去確認了這樣一個位置，看到了非常壯觀的景象。
我們看到的是兩個中子星相撞的景象。天文學家在之前的時候就研究過如果兩個中子星進行碰撞的話會產生什么，他們預測，會產生不是超新星（Supernova），而是一個有這非常有特點的光芒的新星，叫千新星（kilonova）。它的光非常明亮，一開始是藍色的，但是很快就會變成紅色，然后變成紅外。這張圖上給大家顯示的就是兩個中子星進行碰撞，他們的碰撞可能會產生一個黑洞。然后會產生伽瑪射線，通過望遠鏡可以觀測到這一點。在之后，通過不同類型的天文設備，我們了解到更多中子星的信息。他們在碰撞和爆炸的時候產生了巨大的能量。
引力波的成功探測解決了兩個問題。第一，引力波的發(fā)現對全世界來講都是非常了不起的事件。因為我們檢測到了引力波，所有的天文學家都開始參與到這方面的研究。之前大家不確定伽瑪射線是否會從中子星的碰撞中產生，但是現在的觀測確定了這一點。另外一點是，我們發(fā)現（kilonova）可能是有些重元素產生的地方。眾所周知，絕大多數現存的這些元素，包括氦、氫、氮都是產生于最原初的宇宙大爆炸，有一些重元素，產生于超新星。但這中間的元素從哪里來的？目前有很大的空白。人們希望了解像金、箔、鈾等等這些金屬是來自于哪里？這個問題人類思考了很久，但沒有得到一個非常令人滿意的答案，但是現在大家可能有了一個好的答案，它們可能是從中子星的碰撞中產生的重元素。
這意味著，我們可以宣告，引力波天文學誕生了，我們進入到了多信使天文學的時代。這是人類歷程上非常了不起的一個進步。我人生中第一次看到了天文學家對引力波這個詞持有樂觀態(tài)度。
但是現在我們還知道在日本有KAGRA這樣的設備，還有LIGO印度這樣的兩個設備，這也是未來我們能夠進行非常重要研究的一些設備。更多的探測設備可以讓我們更精準地定位引力波的來源位置，更好地改善設備的靈敏度和性噪比。
LIGO印度的加入對天文學家來說非常重要?？梢钥吹缴蠄D中，前三個是美國的LIGO和歐洲的Virgo探測出引力波時，畫出的藍色“香蕉”，這是我們估計的引力波位置的大體范圍?？梢钥吹?，當印度加入的時候，“香蕉”消失了，可以預測到的是，有了四臺探測器后，我們對引力波位置的測量精度大大提升了。
未來引力波研究的發(fā)展還有另外一個方向，就是進一步的去改善檢測設備的靈敏性，我知道中國也在進行這些研究了，而且和中國的一些朋友進行過討論，當然發(fā)展一定是一個循序漸進的過程。
上圖的這些曲線，第一個曲線是關于頻率，是在10的二次方和三次方赫茲之間，左側我們能夠看到的是關于應力的頻譜密度。我們能夠看到在這兒有Virgo探測的情況，有噪音在這兒，這是我們未來應該發(fā)現的地方，這也是我們一開始設計LIGO的初衷，就是綠色的這條線。這里是未來更加先進的Virgo的設計，可能在中部是比較相近的，所以在Virgo也是做了很多的貢獻了?，F在我們想的就是如何能夠把設備做進一步的改善。
還有就是我們有一個另外的一個設備叫Voyager，在Voyager和愛因斯坦望遠鏡的概念之間，也是我想給大家的一點建議。如果有人問我中國應該在哪個方面參與并有一定的影響力，我覺得可以在這個地方，也就是研制第三代的監(jiān)測器、探測器，我認為這可能是一個四公里的系統(tǒng)，這也比較接近我們現在的狀態(tài)。歐洲的想法是在地下有一個三角形的檢測的設計，它的靈敏度可能會好一點，而且這個我們能夠看到現有的檢測器的臂長也是將近長寬四公里。我希望未來這些領域的技術進步，能盡快應用到天文學領域，引力波的前景非常光明。
謝謝。 
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