十几亿年前，数以百万计星系之外的一对黑洞发生了碰撞，在漫长的岁月里，它们彼此环绕盘旋了亿万年，在每一次旋转中越转越快，不断地拉近它们之间的距离，直到相相隔几百英里速度接近光速时，释放出令整个宇宙颤栗的巨大的引力波能量。在这一瞬间，时空变得扭曲起来，就像一锅沸腾的水，两个黑洞也在这瞬间合并为一，发射出比宇宙所有恒星的能量加起来还强一百倍以上的巨大能量。最终形成了一个新的黑洞，新黑洞的质量是我们如今太阳的62倍，大小相当于美国缅因州的面积。这个新黑洞渐渐伸展成一个稍显扁平的球体形状，最后几下震颤产生的能量逃离出去，然后时空再次归于沉寂。

 

　　引力波涟漪如波浪般从各个方向向外传播，在前进的路上渐渐变弱。在地球上，恐龙出现，进化，并最终灭绝。引力波继续前进。在大约五万年前，就在智人开始取代其近亲尼安德特人，成为地球上的优势物种的时候，引力波开始进入我们的银河系。

　　一百年前，阿尔伯特·爱因斯坦，人类这个优势物种中的天才成员之一，预言了引力波的存在，激励了科学家们在几十年时间里在宇宙太空中徒劳无果的搜寻。22年前，地球上建立了一个巨大的引力波探测器：激光干涉引力波探测器（LIGO）。2015年9月14日，欧洲中部时间上午将近11点时，引力波到达地球。33岁的意大利博士后、LIGO科研合作组织的成员之一马可·德拉戈（Marco Drago）成为最早发现引力波的人。当时他正在德国马克斯·普郎克引力物理学研究所的电脑前，远程观察LIGO数据。引力波出现在他的屏幕上，就像被压缩了的曲线，可倾听一英寸的千亿分之一振动的LIGO装置，听到了从低到高然后很快消失的轻微声音――来自遥远宇宙黑洞的声音。2016年2月11日，在华盛顿特区的一次新闻发布会上，LIGO团队宣布地球上首次观测到引力波信号。

 

　　当德拉戈看到屏幕上的引力波信号时惊呆了，一时之间有些不知所措。他的一位同事给LIGO设备控制室打了电话，消息很快在参与该项目的几千科学家中间传了开来。在加州，LIGO实验室执行主任戴维·赖茨（David Reitze）送女儿上学后，立即赶往他在加州理工学院的办公室，在那里又接到了接二连三的消息。“我不记得当时我说了些什么。”他回忆道，“当时的想法是‘天啊，这是什么？’”西北大学物理学和天文学教授维琪·洛格拉（Vicky Kalogera）开了一整天的会，直到晚餐时才听到这个消息。“丈夫叫我铺餐桌布准备吃饭。”她说。“我就像完全没听到似的，全神贯注地浏览着一大堆不同寻常的电子邮件，想知道这到底是怎么回事。”1972年首次提出构建LIGO的83岁的物理学家雷纳·韦斯（Rainer Weiss）当时正在美国缅因州度假。登录系统看到信号后，不由大声喊道：“我的上帝！”声音惊动了他的妻子和成年的儿子纷纷向他跑过来。

 

　　项目研究人员开始了繁重的验证工作，两遍、三遍甚至四遍核查确认数据。测量数据告诉我们10多亿年前两个黑洞合并的故事。“这是一个非比寻常的消息宣布，需要非比寻常的证据。”雷特兹说道。与此同时，LIGO的科学家们被要求宣誓对这个消息保密。但从9月底下旬开始，各种流言飞传，并成为媒体竞相报道的热门话题，甚至有了与诺奖相关的传言。但LIGO项目合作者对于种种询问只给予了简略的回应，称相关数据仍在分析之中，卡洛吉拉甚至对她的丈夫都没说。

 

　　LIGO观测站由两个设施构成，相距近1 900英里，相当于喷气客气飞行三个半小时的距离，但这段距离引力波只需要1秒钟的万分之一时间就能抵达。路易斯安那州利文斯顿的探测器位于巴吞鲁日东部的湿地，周围是一片商业松树林；另一个探测器设在华盛顿汉福德（美国核污染最严重的西南边缘地区），被安置在长满艾草、风滚草和一些废弃的核反应堆的中间。每一处设施都有一对12英尺高呈直角的混凝土管道，一直向远方延伸开去，从上方看去很像木工用的直角尺。管道长达2.5英里，由于地球曲率的缘故，管道两端都必须高出地面1码，以保持水平。

 

　　LIGO科学合作项目是探索爱因斯坦广义相对论更深涵义的组成部分。广义相对论理论，简单地说，是指质量导致的空间与时间的弯曲，而时空弯曲产生的效应就是我们所称的引力。当两个黑洞互相环绕旋转时，不断地拉伸和挤压周围的时空，就像孩子在蹦床上绕着圈儿奔跑产生的向床边扩散的振动一样，这些振动就是引力波。引力波从波源出发，穿越整个宇宙时空，但由于引力波远远弱于其他基本的自然力，例如，电磁力，或将一个原子结合在一起的相互作用力等，因此我们感知不到引力波的存在。爱因斯坦认为很可能它们永远不会被检测到，他甚至两次宣布引力波不存在，推翻了自己之前的预测。还有人指出，引力波似乎是以“思想的速度在传播。”

　　在爱因斯坦提出引力波预言近五十年后，有人开始着手构建某种仪器来探测引力波。第一个做出这种尝试的是马里兰大学的工程学教授约瑟夫·韦伯（Joseph Weber），他将这种检测设备叫做“谐振棒状天线”。韦伯认为，铝质圆柱体可起到像钟铃一样的作用，可将撞击其上的微弱引力波信号放大。当引力波撞到圆柱体时，会产生非常轻微的振动，环绕四周的传感器将撞击产生的振动转化为电信号。为了确保他检测到的不是附近经过的卡车或轻微地震产生的振动，韦伯采取了多种预防措施：他将检测棒悬在真空中，一次安排两个检测棒放在不同的地点，一个在马里兰大学的校园里，另一个在芝加哥附近阿贡国家实验室里。如果两个检测棒在几分之一秒内的间隔时间产生同样模式的振动，那么就可以认为，很可能是引力波造成的。

 

　　1969年6月，韦伯宣布他的棒式探测器已有所收获，物理学家和媒体大为兴奋，当时的《纽约时报》报道称：“人类对宇宙的观察揭开了新的篇章。”不久，韦伯开始每日报告称发现信号，但由于也建造了像他一样的检测棒的其他实验室并未有类似发现，于是人们开始对他的结论产生了怀疑。到了1974年的时候，许多人得出结论认为，韦伯一定是搞错了。但他继续声称他有新的检测结果，直到他于2000年去世时为止。

 

　　韦伯创立了一个新的科学领域，这是他为人类留下的遗产。但正如维斯所说的，韦伯的探索经历也给人们留下了一个不好的印象，其原因是似乎引力波的探寻者“都是一些骗子，没有严谨的科研精神等之类的。”2014年，用BICEP2望远镜观察的研究人员称在南极附近发现了似乎是宇宙大爆炸留下的引力辐射，虽然信号是真的，但最后证实它只是宇宙尘埃的产物，这更是进一步强化了这种观点。韦伯之后还有一批受到他启发的研究人员。例如，维斯开始了一个最终将成为LIGO的设计：“对于韦伯的追求我无法理解，我不认为他的想法是对的。所以我决定要走我自己的路。”

　　“寻找引力波的很多工作都是通过电话联系完成的。”LIGO在汉福德观测站的负责人弗雷德·拉布（Fred Raab）说道。他们在每周例会上讨论数据，在两周一次的会议讨论两个探测器之间的协调工作，参与者有澳大利亚、印度、德国、英国和其他地方的合作者。“这些研究者午夜梦醒时，脑海中还萦绕关于探测器的梦境，可见他们投入之深。”拉布说道。正是这种精神促使维斯构思出如此复杂而切实可行的仪器设备。

 

　　维斯的检测方法与韦伯有着很大的不同。他的最初设想是将探测器做成“L”形。想象一下两人卧在地板上，两个脑袋紧挨着，身体呈直角，当引力波经过他们时，一个人会被拉长一点，另一个人会被缩短一些，然后片刻过后，相反的事情会发生在这两个人的身上。他的设计所依据的原理是，当引力波向一个的时空延伸扩展时，会在另一个方向压缩时空。维斯的仪器要测量的就是这两次波动产生的长度差异，当然实际上的探测器会更庞大，用的是几英里长的钢管。

 

　　为获得精确的测量结果，维斯建议以光为标尺。他想象在“L”形设计的弯曲处放置激光源。激光源“向每根管道发送一道激光束，激光束到达另一端的镜面上会被反射回来，在真空中光速是恒定的，因此在管道中清除了空气和其他的粒子后，激光束将会在“L”形结构的弯曲处同步重组，除非有引力波通过，在这种情况下，激光源和反射镜之间的距离会略有变化，因为此时其中一个管道中的激光束通过的距离会比另一道激光束稍短一些，它们返回的时间将不再同步。引力波越强，差距越是明显。这样的检测设备需要达到的精度是之前任何检测设备的数千倍，同时，为了将迅速变弱消失的引力波信号从地球上无处不在的喧嚣声中提取出来，还需要更精微的调试来提取一个迅速变弱的微弱信号。

 

　　维斯于1972年春写下了他的设想，作为他的实验室季度进展报告的一部分。但这篇论文从未在任何科学期刊上发表，这只是他当时的一个想法，而不是一份实验报告。但因在电影“星际穿越”拍摄中担任科学顾问而闻名的加州理工学院名誉教授基普·索恩（Kip Thorne）认为：这是有史以来最伟大的论文之一。事实上，索恩与查尔斯·米斯纳（Charles Misner）和约翰·惠勒（John Wheeler）合著并于1973年首次出版的关于引力波理论的里程碑式的教科书中，就包括有一名学生演示激光测量引力波的内容。

 

　　1975年，维斯邀请索恩与NASA的科学家对话。会面前夜，在华盛顿特区酒店的一个房间里，他们坐在一张小桌旁写写画画，桌上是画着草图写着方程式的一张又一张的草稿纸。“世界上可以像我们这样交流这个话题的人并没有多少，而我们在这个问题上已经研究了很多年。”维斯回忆道。当索恩回到自己房间里的时候，天边已泛出粉红色，天快亮了。

　　在麻省理工学院，维斯开始组装一个尺寸只有5英尺高的作为检测臂的小型探测器，但得不到他所在部门管理人员的支持，他的很多同事也都持怀疑态度。其中一位很有影响力的天体物理学家兼相对论专家菲利普·莫里森（Phillip Morrison）坚持认为黑洞并不存在，因为支持黑洞存在的观测数据实在太少了，这也是当时许多同时代科学家所持有的观点。另外，黑洞是理论上可以发射出相当规模引力波的少数宇宙现象之一，但维斯的设备什么也没有找到。索恩则取得了一些成功，1981年时，已有一个检测臂长131英尺的原型机在加州理工学院运行。一位名叫罗纳德·德雷弗（Ronald Drever）的苏格兰裔物理学家负责这设备的制造，并在建造的过程中，在维斯设计的基础上不断改进。

 

　　1990年，经过多年的研究、报告、演讲和委员会会议，维斯、索恩和德雷弗，说服了美国国家科学基金会（NSF）资助LIGO的建设。这个项目要花费2.72亿美元，这是NSF科研资助项目中空前绝后的。“一开始就引起了很大的争议。”维斯说。

 

　　“天文学家们毫不犹豫地反对这个计划，因为他们认为这将是有史以来最大的钱财浪费。”许多科学家担心LIGO项目会挤掉其他研究项目的经费。当时美国国家科学基金会的一位项目管理官员里奇·艾萨克森（Rich Isaacson）在LIGO项目的启动上起了关键性的作用。“他和美国国家科学基金会都坚定地支持我们，和我们共同承担这巨大的风险。”维斯说道。

 

　　“这东西本来也许不该建的。”艾萨克森说道，“几个人疯了样地到处游说，在什么信号也没发现的情况下，就讨论起远超出当前技术水平的真空技术、激光技术、防震技术、反馈系统以及一些还都没有被发明出来的材料。”但是，艾萨克森的博士论文写的就是引力辐射，他相信建立LIGO的理论基础。“我是引力波研究群体在NSF内部的‘鼹鼠’。”他开玩笑地自嘲道。

 

　　在他们的项目申请计划书中，LIGO小组提醒道，他们的最初设计的探测器可能什么都探测不到。但他们认为，一个不完美探测器的建立是为了学习如何建造一个更好的。“可以有理由想象得到，这是一个会失败的计划。”艾萨克森说道，但他说服了美国国家科学基金会，即使在初期检测不到什么信号，但测量精度会有所提高，所以投资是值得的。1994年初，LIGO计划正式开始破土动工。

　　经过两年时间，他们制造出了历史上最敏感的设备，但除了引力波之外，对其他任何东西都不敏感。光是抽空管道内的空气就花了40天时间，形成了地球上最纯粹的真空环境，只有海平面大气浓度的万亿分之一。但还是存在一些出乎意料的干涉源，如汉福德的风声，利文斯顿临海的海风，电网波动对激光束的影响，镜面中个别原子的不稳定和远处的雷电风暴等。所有这些都有可能会被误认为是引力波，每一种干涉源都需要加以消除或控制。LIGO中有一个可对微弱地震做出应对的子系统，通过启动减震功能，用相反的作用力抵消震动，保持反射镜的稳定。另外还有一个子系统用来监测其他干扰声，包括经过的汽车、飞机和狼嚎等。

 

　　“需要考虑的细节成千上万，实实在在的上万个。”维斯说道。“每一个细节都需要加以完善，确保不会有任何东西对信号形成干扰。”在调整系统内部组件时，必须要有便携式洁净室、消毒工具以及被他们称为“兔子装”的全身防护工作服，以防止皮肤细胞或粉尘粒子偶尔落到光学器件上。

 

　　第一代观测设备，即研究团队如今所称的“初级LIGO”（Initial LIGO），于2001年启动并运行。在接下来的九年里，科学家们不断改进和提高仪器的性能和数据分析算法。同时，通过加州理工学院的一个原型机和德国的一家工厂，开发出更加敏感的反光镜、激光束和隔震技术。2010年，探测器停止使用，开始了为期5年，价值2亿美元的升级工作。如今系统的防干扰能力极强，汉福德观测站的一位部门经理在控制室边上发动摩托车时，监控引力波信号的科学家在屏幕上什么也没有发现，这一场景在测试日志中留下了生动的描述：“布巴骑在摩托车上呼啸而去。”第二代先进LIGO系统对宇宙空间的观测区域的范围将提高到之前的一千倍以上。

 

　　最花功夫的是反射镜，据雷特兹介绍，它们是世界上最好的反射镜。每面反射镜都有1尺多宽，重近90磅，抛光精度达一英寸的一亿分之一的完美球体，每面造价近100万美元。一开始反射镜是悬吊在一圈钢丝绳上的，升级后被连接在一个钟摆系统上，可更好地排除轻微地震的干扰，然后悬挂在熔融石英玻璃纤维下，虽然强度足以承受反射镜的重量，但缺点是一碰就响。格拉斯哥大学的吉姆·霍夫（Jim Hough）说道：“当你轻弹威士忌玻璃杯，它会发出清脆好听的声音，熔融石英的材质甚至比威士忌玻璃杯更好，发出的声音就像拔动小提琴的琴弦一样。”如此轻柔的干扰声音，用LIGO的信号处理软件可以完全清除掉，因而又解决一个潜在的干扰源。

　　先进LIGO的升级时间比预期的要长，因此改进后新仪器的正式运行日期比预定的还要推迟几天，一直要延迟到2015年9月18日。一周前维斯被从波士顿叫来确定一些射频干扰源。他建议通过为期一周的维修计划来解决这个问题，但是项目董事拒绝了他的建议。“感谢上帝，幸亏他们没让我这么做。”维斯说道，“否则信号进来时设备处于离线状态，那就糟了。”

 

　　9月13日星期日，汉德弗的运行管理专家安娜玛丽亚·艾弗勒（Anamaria Effler）一整天都和同事在利文斯顿的探测器这里，完成电池组的最后测试。“我们大声喊叫，我们摇晃东西发出震动声，我们导入磁铁干扰，反正所有各种测试都做了。”她说。到凌晨4点钟的时候，只剩下最后一个测试，模拟附近卡车司机踩刹车的声音，然后收拾东西开车回家，留下设备在那里静静地收集数据。在他们离开后不久，当地时间凌晨4:50，引力波信号抵达，以7毫秒的时间差通过了LIGO的两个探测器，离升级后的LIGO的首次正式运行还有四天时间。

　　这么早就发现了引力波的事实引发了混乱和难以置信的疑问。“我曾对所有人说过，在2017年或2018年之前我们不会看到任何东西。”雷特兹说道。LIGO科学合作组织成员、哥伦比亚大学天体物理学教授珍娜·莱文（Janna Levin）也同样感到吃惊。“听到传言时，我的反应是：别开玩笑了！”她说。信号几乎太完美了。维斯和他的同事也都认为，这信号是人为的测试信号。

 

　　LIGO团队中有一小群人，他们的工作就是制造“盲输入”信号――虚假的引力波证据――作为让科学家们时刻保持警觉的一种方式。尽管每个人都知道这个四人团队是哪几个人，“但我们却不知道会是什么样的信号，何时会注入，以及是否会被注入。”LIGO科学合作组织的发言人加布里娜·冈萨雷斯（Gabriela González）说道。在初级LIGO最后运行的2010年，探测器曾接收到一个强烈的信号，科学家们对它进行了长达6个月的紧张分析后，认为它是来自大犬座星系的引力波信号。然而，就在他们准备将研究论文提交相关期刊发表之前，却得知这个信号其实是输入的虚假信号。

 

　　而这一次，“盲输入”组成员信誓旦旦地称这信号和他们没有任何关系。马可·德拉戈认为，他们的否认可能也是测试的一部分，但作为四人组成员之一的雷特兹却有另外的担忧。“我担心的是，人们可以认为我们只是出于谨慎而否认，但这是否是有人在恶作剧呢？”他说。“会不会有人在我们的探测器里伪造了一个信号，而我们都被蒙在鼓里呢？”雷特兹说道。雷特兹、维斯和冈萨雷斯等人认为，如果真是有人搞的恶作剧，那么此人一定对设备和算法十分熟悉，才有可能欺骗系统并掩盖他或她的作案痕迹。有可能做到这一点的嫌疑人只有4个，但他们都没有合情合理的作案动机。“我们盘问了那几个人。”维斯说道。“但他们都矢口否认绝对没有做过。”最终他说，“我们承认，最简单有效的解释就是：这真的是来自一对黑洞的引力波。”

 

　　LIGO科学合作组织内各部门开始对方方面面进行确认，他们回顾了仪器的校准过程，对软件代码进行逐行分析，列出所有可能的环境干扰，从大气电离层振荡到环太平洋地震。“引力波信号出现的大约同一时刻，一道非常强烈的闪电袭击了非洲。”LIGO首席科学家斯坦·惠特科姆（Stan Whitcomb）说道，“但我们磁力计表明，它未能产生足够的扰动引起这个事件。”最终，他们确认这个探测结果达到了统计学上的5西格玛阈值，宣布物理学发现的黄金标准，而这个引力波信号被发现的概率只有350万分之一。

　　9月14日检测到的引力波如今正式命名为GW150914，引力波信号的发现已产生了一些重要的天体物理研究成果。首先，它代表了对黑洞存在的首次观测证据，在此之前，黑洞只存在于物理学理论中。根据黑洞的定义，它们会吞噬掉所有在它们附近的光线，导致传统的望远镜根据发现不了它们，而引力波是已知唯一能够逃离黑洞重力挤压并泄露黑洞信息的来源。

 

　　LIGO的科学家们从这一引力波信号中提取了数量惊人的信息，包括产生这道引力波的黑洞的质量，轨道的运行速度等。这两个黑洞的质量比预期的要大得多，这个令人惊讶的结果如果在未来的观察中被证实，可有助于解释许多星系中心神秘超大质量黑洞的形成之谜。研究团队还对被称为“衰荡”（ringdown）的现象进行了量化分析，“衰荡”是指新的更大的黑洞在成为球形过程中的三次能量大爆发。“这种‘衰荡’现象是很壮观的。”莱文说道。它为确认相对论关于黑洞的一个最重要的预测提供了证据：即黑洞在合并后会将其不完美的部分以引力波的形式辐射出去。

 

　　引力波的发现还证实了爱因斯坦对物理宇宙另一方面的观点是正确的。“你只有在爬楼梯的时候才会感觉地球引力的存在。”维斯说道，“但是在物理学上，引力非常微弱，影响很小。”但在黑洞附近，引力是宇宙中最强大的力量，拥有足以撕裂原子的能力。爱因斯坦曾在1916年做出预测，LIGO的分析表明爱因斯坦的方程式与真实世界的实际观测结果几乎完美一致。那么“他究竟是怎么知道的呢？”维斯觉得困惑，“如果有可能，我真想将那个早晨看到的数据拿给他看，然后看看他脸上会是怎样的表情。”

 

　　自9月14日检测到引力波信号以来，LIGO继续观察候选的引力波信号，虽然这些信号没有一开始的信号那么强。“强大的信号让我们激动兴奋。”维斯说道，“但看到其他一些强度较弱的信号我们也很高兴，这表明一开始观测到的引力波并不是唯一的偶然事件。”

 

　　科学家所了解的宇宙知识几乎都是通过电磁光谱获得的。四百年前，伽利略就开始用他的望远镜探索可见光领域。自那时以来，天文学家们逐渐拥有了更多的观察工具，他们已经学会了如何观察无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线和伽马射线，他们看到了船底座星云中恒星的诞生，看到了土星第八个卫星上间歇泉的喷发，确定了银河系中心的位置，探测到了我们周围类地行星的位置。

 

　　但是，百分之九十五的宇宙仍然无法用传统的天文学手段观察到。引力波也许还无法探测到构成不可见宇宙大部分的所谓的暗能量，但它能帮助我们以前所未有的方式巡视时空。“引力波对于我们来说是一种全新的望远镜。”雷特兹说，“这意味着一个全新的天文学领域正等待着我们去探索。”莱文说。如果说我们之前所看到的宇宙是一部无声电影，引力波将会让我们的宇宙变成更精彩的有声有色的大屏幕。

 

　　凑巧的是，LIGO可以检测到的特定频率的波段，也正好在人类的听觉范围内，大约在35至250赫兹之间，但当这个引力波的“唧唧”声抵达地球时，已经变得很轻很轻，LIGO捕获到的也只有几十亿年前黑洞合并时0.2秒的一瞬，但是通过音频处理后的声音听起来像一个“滑音”，相当于“用你的手指和指甲的背面，在钢琴上从最低音滑到中音C的声音”，维斯说。

 

　　不同的天体会发出它们独有的引力波，这意味着LIGO以及未来改进版的LIGO最终有可能听到“宇宙乐团”的“交响乐”。比如，“双中子星引力波的声音就像短笛声。”雷特兹说。而单独旋转的脉冲星，可能会发出一个单音调的“叮”声，就像三角铁的声音，黑洞的引力波则像弦乐声，就像低音提琴产生的音域低的音调，取决于黑洞的质量从这个低音再往上。但是，LIGO只能检测到类似于小提琴和中提琴的声音，要想听到银河系中心超大质量黑洞的引力波的声音，我们只有期待未来具有不同敏感性的探测器给我们带来新的惊喜。

 

　　好几个这样的探测器正在规划阶段或在建阶段，包括爱因斯坦望远镜，这是欧洲的一个项目，它的地下探测臂将是LIGO长度的两倍以上，还有去年欧洲航天局在美国国家航空航天局（NASA）支持下建于太空中的由三种仪器设备构成的eLISA。还有一些探测器已启动并开始运行，包括正在进一步探测宇宙遥远过去的引力波回声的BICEP2望远镜项目，雷特兹希望引力波的发现将激励这一领域引入更多的投资。

 

　　升级后的LIGO的第一个观察运行于1月12日结束。艾弗勒和任务团队中的其他成员开始了新一轮的改进工作，探测器正在一步步接近其最大的灵敏度。在未来的两到三年时间里，它将每日记录引力波事件，并在这个过程中收集更多的数据。到夏末时系统将再次上线，倾听我们几乎难以想象的来自宇宙深处的天籁之音。“我们正在打开一个与以往完全不同的观察宇宙的新窗口，虽然我们还不知道通过这个窗口我们将看到什么，”索恩说道，“但它一定会给我们带来更大的惊喜。”