前言

“啊！可是人之所欲理应超越能力所及。否则，要天堂干什么？”

——罗伯特·布朗宁，《德萨托的安德里亚》,1855

要想来到21世纪的天文台，必须穿越美洲南部古城——确切地说，要穿越路易斯安那州的首府巴吞鲁日。刚下飞机，游客们就会感觉到本州的支柱产业所带来的气息——拜附近一家炼油厂所赐，空气中飘荡着一股刺激性气味。沿着10号州际公路驱车继续前行，广告牌、杀人魔乔的海鲜和路易斯安那泥画扑面而来，稍纵即逝。中途相伴的还有蜿蜒曲折的密西西比河，流向新奥尔良和墨西哥湾。一路向前，首府东边的农田渐趋平坦，道路如同方格纸上的线条一样笔直。偶尔闪现出的斑驳树影以及浑身披挂着碧绿寄生藤的河流，冲淡了这种规整。

路易斯安那州拥有670万公顷的森林，所以路上经常见到载满木材的大卡车。它们许多都来自巴吞鲁日东边35千米远的利文斯顿教区，那儿有一大片储备松林。沿着63号公路向北，越过一片废弃的饲料仓库，再向前数千米之后，就看到一块“激光干涉引力波天文台”的标志牌，该天文台是加州理工学院和MIT携手共建的，内行都简称其为LIGO。但是从高速公路上什么都看不到。拐进一条沥青路，小心穿过一片部分刚被砍伐过的小树林，就会看到长角牛群悠闲地漫步在道路上，再驱车前行1500米，天文台才映入眼帘。天文台有点儿类似一个多层货栈，银灰的底色，外加蓝色和白色的装饰。天文台在路易斯安那州并不常见，但是建造新的科技设备却是这个州的传统。早在1811年，爱德华·利文斯顿就曾帮助罗伯特·富尔顿建造了一艘行驶于密西西比河上的商用轮船。后来他成了一名参议员，而“利文斯顿”也成了教区的名字。

置放LIGO关键设备的大房子足足有10米高，十字形大厅仿佛一座飞机修理库，也像是教堂的十字形翼部，或者一座现代基督教教堂。在相互垂直的“十”字的两端，各有一个大圆舱。两个圆舱的开口处各引出一条长管，向旁边的乡间延伸出4000米长。每一条管道的直径都是1. 2米，有点类似于石油管道，必要的时候工作人员可以弯腰在里面行走。为了安放这些管道，工作人员从松树林中生生开出了一个巨大的“L”字。“L”的一条臂伸向东南方，另一条伸向西南方。沿着每条臂都筑有一条高出路易斯安那州漫滩2. 5米的公路，筑路所用的泥土直接从旁边采掘而得，这样就在每条公路旁边都留下了一道水沟，与管道平行。一条以天文台职员投喂的面包圈为生的鳄鱼，甚至占据了一个采料坑作为自己的寝宫。管道不能直接看到，因为上面覆盖有将近20厘米厚的混凝土来保护它不被风吹雨淋，也不至于在狩猎季节被流弹击中。管道内没有空气，任何撞击都可能是致命的。

“这就是我们掏挖出的一条4000米长的管道”，马克·寇斯一边自豪地挥舞着手臂，一边这么说。他身材高大，平易近人，刚刚从加州理工学院来到这儿，指导利文斯顿天文台的工作。他很快就适应了这儿法裔的生活方式，还为观测台带来了一句法语口号：“让引力波的浪涛尽情翻滚吧！”他们把这句口号印在了T恤衫上，放在接待区出售。他们要捕捉的信号是引力辐射波，也就是通常所说的重力波。

电磁波，包括可见光、无线电波和红外线等，都是由单个原子或电子发出的。通过某一天体发射出的电磁波，我们可以了解到它的一些特性，比如温度、年龄以及成分等。而引力波则携带着完全不同的信息，它告诉我们的是大质量天体的总体运行情况。它们是时空的一种振动，是从宇宙中能量变化最激烈的地方发出的。比如，恒星走到生命的尽头演变成超新星，中子星的高速自转，两颗黑洞围绕彼此旋转且越靠越近并最终合二为一，都会辐射出引力波。引力波会告诉我们整个宇宙中共有多少物质在运动、旋转和碰撞。这种研究宇宙的新方法，甚至最终还能找到宇宙在诞生之后最初1纳秒时所留下的痕迹，也就是令人敬畏的大爆炸留在时空中的烙印。在给利文斯顿天文台的献辞中，美国国家自然科学基金会（NSF）主任丽塔·科维尔说它正在“打开一瓶可以把我们带到从未去过的往古的香槟”。这些信息太引人注目了，科学家们一直都在竭尽全力探测这些难以捉摸的振动。

LIGO大厅里的气氛庄严肃穆，有点儿像漆黑一片的望远镜观测中心。虽然望远镜的观测对象也是繁星点缀的天空，但两者的观测机理却截然不同。这儿没有监视太空的窗口，只有一座引力波天文台牢牢坚守在自己的岗位上。这座天文台潜伏在时空蛛网的一角，静静地等待着捕捉爱因斯坦早在80年前就预言过的微弱振动。

MIT的瑞纳·怀斯说：“想知道原委吗？我来告诉你。我们之所以这样做，完全出于对爱因斯坦的信任。芸芸众生中，确实存在这么一位不可思议的天才。普通大众都知道他的重要性。如果你跑到国会，告诉大家你要证明海森堡不确定原理存在错误的话，你会备受冷落；但如果你说想做一些测量，来证实或证伪爱因斯坦的理论，那么，所有的大门都会向你敞开。很玄乎。”

阿尔伯特·爱因斯坦是20世纪科学巨匠中的佼佼者。直到今天，他的思想引导的革命仍在进行。他颠覆了我们通常的时空观念。物理学革命很多都是沿着时空观念变革的足迹前进的。并且，我们的世界观——宇宙准则——的每一次调整，都会给物理学带来一场变革，以适应新的宇宙准则。每位物理学家思考的起点都是：如何描述物体在时空中的运动。他们给这些无形的概念取了名字，比如“里”或“秒”，而且自从艾萨克·牛顿爵士解释了苹果落地的原因之后，科学家们坚信自己理解了这些词的含义。可是，他们没有。爱因斯坦击碎了他们的自信。通过广义相对论，他告诉我们物质、时间和空间之间并不是相互独立的，而是有着永恒的联系，引力就来自于这些联系。这就是爱因斯坦引导这场革命的原因。他告诉我们时间和空间并不仅仅是为了方便测量而下的定义。相反，它们结合成为一个整体，名叫“时空”，外形则由四周的物质来决定。根据广义相对论，大质量物体，比如恒星，会导致周围时空的弯曲（就像保龄球会在蹦床上压出一个坑来一样）。而行星和彗星被恒星吸引着，仅仅是因为它们要沿着被恒星“压弯”的时空高速公路行驶而已。如同我们希望的那样，大自然严格按照牛顿定律运行。但这实际上只是能量和速度都较低时的特殊情况。许多深受爱因斯坦“咒语”影响的人们，都觉得自己像幻境中的小姑娘爱丽丝一样，眼前的世界变得“越来越古怪”。爱因斯坦更为普适的理论就像魔棒一样，指引着我们来到一个背离直觉的世界。在这个神奇世界里，长度可能缩短，时间可能加速流逝或放慢步伐，物质也可能在转眼之间就消逝在时空的深井中——爱因斯坦让时间和空间渐渐变得不再那么难以捉摸了。

在物理学家们看来，爱因斯坦的方程就像是一朵散发着数学美的奇葩。1915年首次被提出时，广义相对论就被尊为人类认知领域的一大突破。但在此之后相当长一段时间里，人们都认为它没有什么实际价值。当广义相对论被广泛接受，爱因斯坦也因此一举成名时，其证据在审美上的意义却更多一些。因为在21世纪初，能够验证此理论的证据只有水星轨道的细微偏移，以及太阳巨大质量导致的空间弯曲给途经附近的恒星星光带来的偏转。验证相对论效应的实验，完全有理由落后于理论工作。因为无论是描述圆球的自由落体，还是要把飞船送上月球，牛顿的理论都完全能够胜任。广义相对论效应过于细微，只有在引力场足够强大时才能观测到。但在爱因斯坦生活的年代，人们认为宇宙很温顺，其中的引力场远远没有这么强大。可是，最初的验证工作完成之后，爱因斯坦名声空前，广义相对论也成了理论中的珍品，人人崇仰却又少人问津。诚如相对论学者克利福德·威尔所说：“人们都认为相对论学者高居在智慧的象牙塔里，终日埋首于复杂深奥的计算之中。”

广义相对论有点儿像瑞普·凡·温克，在数十年的沉寂之后，特别是在天文学家们发现了大量引人注目的天体，比如脉冲星、类星体和黑洞之后，重又焕发出了勃勃生机，因为这些天文现象只能用广义相对论来解释。中子星、引力透镜、膨胀的宇宙等，也需要引入爱因斯坦的观点才能解释。与此同时，飞速发展的科技也给物理学家们提供了先进的设备，使之能以空前的精度来探测相对论的微弱效应。这还不仅仅局限于在实验室做实验。利用行星探测器、射电天文望远镜以及航天钟，科学家们已经验证了爱因斯坦的假设与实际完全符合，而且精度高得惊人。整个太阳系都成了验证广义相对论的实验室。在那本被誉为相对论领域圣经的《引力论》一书中，查尔斯·迈斯纳、基普·桑尼和约翰·惠勒宣布：“相对论不再是理论者的天堂、实验者的地狱了。”近一个世纪以来，相对论已经深入到各个实验领域里去了。这并不只是爱因斯坦和他的理论的胜利；大自然能够严格照此数学规律运行，本身就是一个奇迹。更何况，许多事实都表明相对论已经走出象牙塔，对我们的日常生活产生着切实的影响。比如，旅行者、水手们和士兵等用来确定方位的全球卫星定位系统（GPS），就必须把相对论效应考虑进去，来修正牛顿理论的误差。天文学家们在用电磁信号把各大洲的射电望远镜连接起来，组成一台地球一样大的望远镜时，也必须考虑相对论效应。

但相对论的故事还没有画上一个圆满的句号，还有一个秘密没有被发现，一个重要预言尚待直接证实：引力波。为了便于理解，我们可以考虑一下宇宙中能量变化最为剧烈的事件——超新星爆发——一颗恒星临终的绝唱。16万年前，猛犸象还悠闲地漫步在亚洲大陆时，一颗被称为圣都立克—69° 202的蓝巨星，在南星空的标志性天体——大麦哲伦星云里爆发了。直到1987年，爆炸发出的光芒才抵达地球。此时，全世界的天文台都把注意力投向了这束代表着一颗恒星行将就木的星光。自发明望远镜以来，这还是人类头一次观测到银河系里的超新星爆发呢。

爱因斯坦的理论还预言，圣都立克—69° 202爆发时将释放出引力波，即一种在宇宙中以光速传播的时空振动。爆发前的一瞬间，蓝巨星的内核突然坍缩成一颗直径只有16千米的致密圆球，密度大得惊人，手指头大小的这种物质就有5亿吨重，比整个人类加在一起还要重。就这样，一颗中子星诞生了。伴随着这么一个巨星的坍缩，空间本身也跟着晃来晃去。这就好比向平静的时空池塘中扔进一颗石子一样，激起的涟漪从坍缩处向四周传播开来。尽管在传播的过程中变得越来越弱，但引力波仍在持续不断地拨动着时空之弦。在到达地球之前，这些引力波已经穿越满天繁星。其实，穿越的过程，也是一个不断挤压、扩张途经空间的过程。之后，它们又穿越山川河岳、殿宇楼阁，穿越草木虫鱼、天下苍生，绝地球而去。

正如圣都立克的例子所示，只要有空间剧烈扰动的地方，就会有引力波发出。引力波并不像光波那样真正穿越空间而传播；它们只是空间自身的振动，据此效应我们可以建造一台强大的探测器。光波在宇宙中漫游时，会被恒星、星云、细微的宇宙尘埃等物质吸收。而引力波却能自由地穿越这些物质，因为它们与物质的相互作用太微弱了。所以，引力波的天空与天文学家们当前观测的天空大不相同。引力波不仅仅给宇宙多开了一扇窗口，还带给了我们对于宇宙的一个全新理解。除此之外，它们还会最终证明爱因斯坦那非常重要的思维成果。它们的存在会切实而明白地告诉我们，时空本身就是一个物理实体。

美国和欧洲的一些先锋科学家声称已经探测到圣都立克带给时空的微弱振动了；但此结果却被另外一些科学家断然否定了。不过，下一次引力波经过时，科学家们绝不会再掉以轻心了。为此，他们建立了LIGO。LIGO拥有两座天文台，一座在路易斯安那州，另一座在华盛顿州，两者遥相呼应。但它并不是绝无仅有的。尺寸各异但功能类似的这类设施，正在意大利、德国、澳大利亚和日本纷纷兴建起来。这些都是迄今为止最先进的引力波探测器，都期望着摘取那项难以捉摸的宇宙大奖。几乎无人怀疑引力波的存在，因为已经有足够的证据证明这是事实了。天文学家们已经观察到银河系中有两颗中子星——超新星爆发的产物——彼此围绕着高速旋转了，且它们相距越来越近，运转轨道每年都要缩短将近1米。这正是以引力波的形式损失能量的结果。然而，只有捕捉到引力波，才能给出最终的证明，并给科学家们提供一个400年来探测寰宇最先进、最根本的工具。

早在16世纪，意大利帕多瓦大学一位杰出的数学教授伽利略·伽利雷，就曾经把一架新的探测工具对准了夜空进行观测。透过这个名叫“望远镜”的东西，他观测到了天空中前人从不敢想象的丰富细节。从前人们都认为天堂是完美的，永远不变的，但伽利略却看到了一个有着黑点的太阳和一个坑坑洼洼的月亮。随着望远镜越来越先进，天空中越来越多的细节呈现在世人眼前了。后来我们得知，银河系也不过是宇宙中诸多星系中的一个，而且这些星系都随着时空的膨胀而在向外扩展。当天文学家将视线延伸到可见光之外时，他们发现了另外一些电磁“颜色”，比如无线电波、红外线和X射线等，过去那个完美的天堂也变得面目全非了。长期以来被描绘成一个安静居所的宇宙，满是文雅的恒星、端庄的螺旋星系的宇宙，现在则变得充满生机与活力了，有时还会有那么一点点暴力倾向。而那些聚集于宇宙边缘部分的射电望远镜阵列还发现，那儿存在着一种被称作类星体的年轻星系。一个不足我们太阳系大的这种星系却散发着万亿颗太阳的能量。把镜头拉近至我们的恒星邻居身旁，射电望远镜们看到的是1秒钟内旋转几十次的中子星。这些城市大小的中子星，都是大质量恒星坍缩的产物，全部由中子构成。而X射线望远镜则发现了大量普通光学望远镜探测不到的气态物质，它们一边围绕着星系团旋转，一边辐射出X射线。就这样，借助于这些不同类型的望远镜，原本看不见的天体都尽收眼底了。

在21世纪，天文学将会经历另一次革命。这次革命将在天文学家们探测到引力波时爆发。这种时空涟漪不会为肉眼所见，也不会在电子显示屏上显示，因为它们根本就不属于可见光、无线电、X射线之类的电磁波。从某种意义上来说，每一个引力子在途经地球时都会被感觉到，或者说，被觉察到，就像一次轻微的震动，一阵颤抖的隆隆声，甚至宇宙的一声低沉的咕哝声。当引力波被捕获时，天文学整个儿就完全改观了。现在我们观察遥远的天空，就像是在看一部无声电影，只有画面，没有声音。待探测到后，引力波将为我们的宇宙电影配上声音。到那时，我们就能听到黑洞碰撞时的雷鸣声，或恒星坍缩时的嘶嘶声了。切实探测到引力波，将给爱因斯坦尚未完成的交响乐填补上最后的乐章。

引力波探测器就像一台地震检波器一样，只不过它是一台安装在时空网上的检波器，记录的是时空网的震动。最原始的引力波探测器就像一根汽车大小的圆柱状金属棒，每当一个能量足够大的引力子穿过时，探测器就会发出钟一样的嗡嗡声。像LIGO这样的最新的探测器，内部都装有一套悬挂装置。每当途经的引力波的波峰和波谷交替挤压和拉伸它所占据的空间时，此装置就会来回摆动（尽管摆动的幅度十分细微，只有原子核尺寸的几千分之一）。这些探测器一起监视着天空中的引力波源。通过精心测定引力子通过方位不同的探测器的时间，天文学家们就可以推算出波源的位置。引力子可能是井然有序的，也可能是飘忽不定的；可能是源源不断的一串，也可能是茕茕孑立的一个。从根本上来说，我们能够识别宇宙交响乐的每一个节拍。引力波方面的天文学家们会把这样一段段的节律——呜呜哀鸣、怦然勃发、杂乱无章的咆哮等——转译成一幅宇宙新图景，一幅如今尚不能领略的神秘宇宙图景。

所有这些努力，都可以追溯到20世纪60年代。当时有一位热衷于此领域的科学家，谨慎地展开了这方面的工作。那是在马里兰大学，物理学家约瑟夫·韦伯巧妙地设计了一套探测装置，并于1969年宣布探测到了引力子。受韦伯的启发，另一些物理学家们迅速加入到这个探测队伍中来了，探测设备也在全球遍地开花。然而，韦伯的探测结果从没有逃脱过争议，事实上，有很多人主张他的证据已经被驳倒了。但这并没有阻止新的科学家加入进来继续研究，他们很想在这个充满挑战的领域里一试身手。韦伯发起了一场至今仍方兴未艾的探测热潮。不同领域——光学、激光、材料科学、广义相对论，还有真空技术等——的科学家会聚一堂，来研究一个有史以来最复杂的天文探测装置。没谁敢保证一定就能探测到信号，所以批评者们猛烈地抨击说现在还为时过早。许多天文学和物理学协会向他们发动了强劲攻势，声称科研经费应该投到那些更有把握的项目上去。但是科学界的潜势力——更不用说强大的政治势力了——根本不理会这些。结果就是，探测引力波的科学家们不但在进行实验，还正在开辟自己的一片新天地。他们问的问题可以追溯到亚里士多德，而答案他们自己或许就能找到。《爱因斯坦的未完成交响曲》一书将向您展示为什么说他们正在攀登的是世纪探索的巅峰——没有他们的雄心壮志，时空之谜就不可能被解开。