时空共振

很久很久以前，在一个非常遥远的星系里—这并不是《星球大战》的开头—两个黑洞发生了碰撞，结果是产生了一个更大、旋转的黑洞。这次冲突是如此激烈且充满能量（事实上，这可能是宇宙中发生过的最剧烈、最富能量的事件之一），以至于整个时空都在振动。就像石头掉在平静的池塘里所产生的扰动，这种振动开始以光速向周围传播。一千四百亿年后，这些振动到达了一颗正在围绕着恒星旋转的小行星，而这颗恒星位于银河系的一角。当振动最初发生时，小行星上刚刚开始出现有性繁殖的生命形式，然而等到振动到达时，这个星球已经存在了一种特别的智慧生命—人类（当然了，当看到我们对自己的星球做了些什么后，我觉得“智慧”这两个字很值得商榷）。在地球这个小小的星球上，人类发展起足够先进的技术来探测这些微弱的振动信号。终于，在美国东部时间2015年9月14日5时51分，人类首次探测到了引力波。

和希格斯玻色子一样，引力波也是近年来最伟大的科学发现之一。事实上，在2017年，诺贝尔物理学奖和西班牙阿斯图里亚斯女亲王奖都授予了对引力波探测起到决定性贡献作用的三位科学家—基普·索恩、雷纳·韦斯和巴里·C.巴里斯。除了科研成就，基普·索恩这位具有超凡魅力的科学家还曾因为一些逸事而闻名：他曾经和他的朋友斯蒂芬·霍金就黑洞问题打赌，并赢得了对方为他订阅的杂志《阁楼》；他还担任过电影《星际穿越》的科学顾问，这部电影的设定同引力波密切相关。然而，引力波这个概念的出现时间要更加久远，早在1915年，才华横溢的阿尔伯特·爱因斯坦在发表的《广义相对论》中，就已经预言了引力波的存在，而这部著作也成为目前我们理解宇宙的方式。

广义相对论认为：我们所处的时空就像一种网状物，而巨大的质量，如恒星和行星，会使网状物发生弯曲，这就是为什么我们会向地面“坠落”。造成这种弯曲的就是物体的质量。事实上，我们自己的身体、一个台球甚至一只蝴蝶都会使得时空弯曲，但这些质量同那些巨大的天体相比微乎其微。牛顿认为重力是一种距离上的力，一种无形、近乎神奇的吸引力。爱因斯坦解释说：“这更像是一个几何问题，就好比如果你在浴室的水槽上面放一块大理石，它就会沉进水里，质量就是这样使得空间变形。”事实上，有一句话很简单地概括了这个理论—质量导致空间弯曲，而弯曲的空间又决定了物质的运动。

引力波是时空网格的振动，就像我们说过的，类似于池塘、帆布或蹦床中的波纹，然而在这里，振动的不是水面或画布，而是时空本身。这很难想象，但它确实是这样的—自然界存在着一种现实的结构振动。

过去，广义相对论曾被不同的研究所证实过。例如：它成功预测了水星轨道的某些异常；1919年，英国天体物理学家亚瑟·艾丁顿在日食期间验证了太阳光线的曲率。是的，尽管它一点都不直观，但我们在宇宙中所发现的微小现象也表明：光并不总是沿着直线延伸，它也会弯曲。然而，引力波是否存在的问题曾一度引起争论。现在，引力波的发现再次证明了爱因斯坦的理论是正确的。但这些波究竟是如何被探测到的呢？为什么它们如此难以捉摸呢？

用来观察引力波的仪器不是普通的望远镜，而是一个被称为“激光干涉引力波天文台”（LIGO）的大型设备，由路易斯安那州的利文斯顿观测台和华盛顿的汉福德观测台共同构成，它们二者间相隔3000多公里。这两个观测台各自安装着一个干涉仪，干涉仪的两个垂直干涉臂长为2千米。让我来简单地解释下吧，当时空膨胀或收缩时，激光束会穿过干涉臂，导致干涉图样发生变化。而这就是干涉仪能够检测到引力波的工作原理。之所以同时存在两个观测台，是因为这样可以避免地震等因素可能对测量带来的干扰。激光干涉引力波天文台于1985年起由索恩和韦斯开发，耗资3.65亿美元。

自从第一次检测到引力波以来，又有一些引力波被相继发现。例如：2017年8月，科学家拍摄到两颗中子星在距离地球1.3亿光年的地方相撞。因此，对引力波的观测不仅是证实广义相对论的一种方法，而且对于开辟天文学的分支—引力波天文学也具有实用价值。如果说到目前为止，天文学家已经通过可见光、X射线、红外线或紫外光等扫描了天空，现在他们又有了新的测试伙伴。通过引力波，你可以研究宇宙中一些最高能的现象，如星系碰撞、黑洞或超新星爆炸的现象。幸运的是，因为它们离我们有数百万光年远，所以黑洞暂时还不会吸走我们。