近二十年来，人类在时间、空间和能量尺度上突破了哪些探测边界？

毫无疑问有引力波探测一席之地。

一、引力波是什么？

简单来说引力波是爱因斯坦广义相对论预言的一种时空的涟漪。

在广义相对论中，引力被描述为引力源引起的时空弯曲，时空本身也被赋予了动力学概念而非单纯物理运动的背景。引力源运动引起的时空结构改变，就会产生几何曲率震荡现象，在传播过程中会挤压或拉伸时空，也就是引力波。

引力波在我们生活中无处不在，有质量物体加速运动时会在时空中产生涟漪，而我们自身的一举一动其实也会产生引力波，但由于太过微弱而无法察觉到。

最早是 1974 年 Hulse 和 Taylor 等人发现了脉冲双星 PSR B1913+16，这个双星系统在彼此互相公转时，由于不断散发引力波而失去能量，因此逐渐相互靠近，公转周期变短的观测值和广义相对论预言的由引力辐射引起双星轨道变小的理论值十分接近。由此间接验证了广义相对论，他们两人也因此获得了 1993 年诺贝尔物理学奖。

在 2016 年 2 月 11日，激光干涉引力波天文台（简称 LIGO）科学团队和处女座干涉仪团队共同宣布，人类于 2015 年 9 月 14 日首次直接探测到引力波，源自于双黑洞合并。

而这距离爱因斯坦提出广义相对论已经过去了整整一百年。

LIGO 探测器工作原理基于干涉测量：两束相干光在不同臂上传播，假设一束光在长为 的臂上传播，当引力波经过时，空间会发生微小的变化，导致臂长变化 ，引起干涉条纹的变化。引力波的信号以应变 来刻画，其量级通常为 甚至更小：

为了直观说明引力波探测精度的要求，我这里以 LIGO 为例做说明。

LIGO 的臂长大约是 4 公里，典型的引力波应变量级是 ，这也就意味着引力波通过时，4 公里的臂长只会变化 ，而这大约是一个质子尺寸的千分之一。因此，LIGO 需要探测比质子直径还要小一千倍的空间变化。

又或者，想想地球与除太阳以外最近的恒星比邻星，距离大约是 4 光年，也即 。探测精度要求相当于在这么远的距离上测量出比人类头发直径（大约 ）还要小的变化。

二、引力波探测有什么意义

引力波提供了一种全新的探索宇宙的窗口，主要因为它们具有与电磁波完全不同的传播方式、信息来源和探测能力。

电磁波在宇宙中传播时，容易被物质遮挡、吸收或散射。比如星际尘埃、气体云等会阻挡电磁波，这也是为什么我们要从不同电磁波波段来探测宇宙，不同波段的探测往往会带来新的信息。

引力不会与物质发生显著的相互作用，可以穿越这些层层障碍，几乎不受阻碍地传播。因此，引力波可以探测到隐藏在高密度物质后面或深处的天文现象，揭示天体的内部构造和内部物质运动状态。

此外由于引力波与大质量天体密切相关，能探测没有电磁辐射的、传统的电磁辐射天文学没法探测的天体及暗物质、黑洞等，或许它未来也能揭开占据宇宙组分 95% 以上的暗能量和暗物质的神秘面纱，也为量子引力的探索提供一个途径。

除了这些科学意义外，发展引力波探测也有极强的军工意义。

这种超高精度的要求发展出来的一系列技术，如高精度引力参考传感器、星间超高精度激光干涉测量、高精度卫星编队、无拖曳控制技术等众多技术对于空间科学、国家战略都有重要价值。

三、空间引力波探测

地面引力波探测容易受到地表震动、各种噪声的影响以及干涉臂长的限制，探测频段被限制在 10 Hz 以上。

为了探测中低频（0.1 mHz 到 1 Hz）的引力波，由此发展了空间引力波探测，这使得空间探测器能够探测来自超大质量黑洞合并、早期宇宙暴涨期的引力波背景、以及某些可能未知的未被地面探测器覆盖的引力波源。由于在太空中不存在地震、热噪声、大气扰动等问题，空间探测器能达到极高的噪声隔离，特别是在低频段有显著的优势。

目前国际上最早提出空间引力波探测方案的是 1973 年欧美联合提出的 LISA 计划，2017 年最新批准的 LISA 的臂长为 250 万公里。2015 年 LISA 的技术验证卫星任务 LISA 探路者成功发射，在轨实验也取得超预期的进展。

2021 年 9 月 15 日 Nature 也刊登了一篇介绍中国空间引力波探测项目的文章。

其中「天琴计划」是中国科学院罗俊院士于 2014 年 3 月在华中科技大学的一次国际会议上提出，2015 年 7 月在中山大学发起的空间引力波探测计划，臂长大约为 17 万公里。天琴一号已经于 2019 年 12 月 20 日成功发射。

中国科学院于 2016 年宣布了「太极计划」，与天琴计划不同，它的三星编队轨道是以太阳为中心的，臂长大约为 300 万公里，2019 年 8 月 31 日成功发射了太极一号。

引力波探测的成功，不仅验证了爱因斯坦的广义相对论预言，更为人类打开了一个全新的宇宙观测窗口。

通过引力波探测，科学家们能够超越传统的电磁波观测手段，探索那些曾经无法触及的区域，揭示宇宙深处的奥秘。也期待中国的天琴计划和太极计划在未来取得卓越的成就。