我們的宇宙是一個剛性的宇宙。科學家發現，宇宙空間實際上相當的堅硬。很多朋友會說：“不對啊，真空中什麽都沒有，怎麽會是剛性的呢？”爲什麽會出現這樣的誤解呢？就是因爲大家把真空與空間這兩個概念搞混了。

可是提問的朋友也是有根據的:我們人類就生活在空間裏，爲什麽感覺不到空間的堅硬度呢？可以打一個比喻，想想在水裏遊來遊去的魚，他們也沒有感受到水帶來的阻力。我們生活在這個空間裏，對周圍的一切感到習以爲常，所以我們不認爲空間是堅硬的。

這種超級違背主觀感受的觀點是真的嗎？今天我們要講的就是探索宇宙空間本質的故事。有關這個一波三折的發現過程，我們還得從頭說起。

時間要回到1915年，上個世紀最偉大的科學家愛因斯坦發表了廣義相對論。廣義相對論的本質是描述引力的理論。他告訴我們，大質量的天體會使周圍的時空産生彎曲。質量和能量越大，時空曲率就越大。但就是貴爲愛因斯坦，他也沒能解釋引力的本質是什麽。事實上，直到今天我們也不知道引力的本質是什麽。能破解這個謎的人，就能夠成爲下一個愛因斯坦。

但是愛因斯坦的偉大就在于，他深刻的發現引力與時空是一件事情的兩個面。引力是依附于時空而存在的。這話有點不好理解，咱們舉個例子就明白了。比如火箭飛出地球，火箭走的是直線嗎？不是，火箭走的是曲線。地球也是一個大天體，會將它周圍的時空拉彎。但是地球的質量又不是特別大，所以地球周圍的曲率非常小。我們看著火箭升空，以爲是在走直線，但我們把距離拉長，就會發現火箭在走一條彎很小的曲線。

換一種說法，我們把地球拉彎的空間想象成一個細長的敞口杯，火箭正在沿著杯子的邊緣向外爬。當火箭的速度大于第二宇宙速度，也就是每秒11.2公裏的時候，它就能夠克服地球的引力。可見火箭飛出地球是表象，真正的原因是火箭爬出了地球周圍被拉彎的時空。

這時候火箭就無拘無束了嗎？太天真了。這時候火箭處在了太陽拉彎的時空裏，火箭會沿著太陽空間曲率形成的杯子邊緣向外爬。

如果火箭的速度能夠達到第四宇宙速度，也就是超過每秒42.1公裏的時候，它就會飛出太陽系。是不是很奇妙？所以說引力是依附于時空而存在的，引力是時空的一個屬性。這就是愛因斯坦的偉大發現。在此基礎上，愛因斯坦預言宇宙中應該存在著引力波。

什麽是引力波？引力波是質量和能量在時空中産生的擾動，就像把石頭扔到池塘裏，池塘的表面會産生漣漪一樣。這種時空的漣漪就是引力波。這是一個讓人匪夷所思的猜測。愛因斯坦的預言是正確的嗎？引力波真的存在嗎？

時間來到20世紀60年代，美國馬裏蘭大學物理學家約瑟夫韋伯立志要在宇宙中尋找引力波。他創造了人類最早的引力波探測工具，以他的名字命名，稱爲韋伯棒。韋伯棒的主體是一個鋁制的實心圓柱，長兩米，直徑一米，用細絲懸挂在真空容器裏面。

根據愛因斯坦廣義相對論計算，引力波在移動時會拉伸和擠壓時間與空間。所以當韋伯棒接收到引力波時，會隨著一浪一浪湧過的引力波産生一種特定的共振頻率。通過安裝在圓柱周圍的壓電傳感器檢測出來，最後再通過計算機處理得出數據。這是一個天才的設想。

1969年，韋伯對外宣布，他發現了來自銀河系中心的引力波信號，立刻引起了科學界的轟動。世界各國紛紛使用韋伯的方法做實驗，他們做了很多的韋伯棒。可惜的是，沒有一處實驗室得到過引力波的證據。但是韋伯堅信自己的想法是正確的。

1972年，他又說服了美國航空航天局NASA，通過阿波羅17號任務，在月球表面放置了引力儀。可是這個引力儀同樣沒有能夠接收到引力波。原因是什麽呢？還是精度不夠，他檢測到的噪音要遠遠的大于引力波，所以韋伯棒注定會失敗。

雖然韋伯失敗了，但他是當之無愧的第一個尋找引力波的人，是科學界公認的引力波探索的創始人。引力波爲什麽這麽難找？主要是因爲它實在是太弱了。我們知道，宇宙中存在著四種力：引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。這裏面最弱的就是引力。前兩種核力咱們就不談了，因爲強弱差距太遠了，差出好幾個數量級。就是排名第三的電磁力都完虐引力。

做一個小實驗，梳頭時産生的靜電就是電磁力。梳子可以輕易地將小紙片給吸起來，分分鍾就打敗了引力。就是因爲引力弱，所以引力波非常難以測量到。但是很快，事情發生了轉機，在宇宙深處，居然若隱若現地傳來了引力波的訊息。

時間來到1974年，普林斯頓大學兩位物理學家拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒，在天鷹座天域裏，發現了一個神奇的雙星系統。這兩顆都是擁有強磁場的中子星，質量也非常接近，都是1.4個太陽的質量。通過深入研究，兩位科學家發現，兩顆中子星的公轉周期在逐漸變小。這說明他們之間的引力産生了變化，有某種能量的損失。

通過廣義相對論的公式計算，他們認爲，這兩顆星的能量，以引力波的形式散發出來了。他們的計算完全符合觀測結果，兩顆星的軌道間距每年縮短3.5米。大約在3億年後，他們會合並産生一次驚天動地的爆炸。

這是一個極爲重要的發現，這個發現間接地證明了愛因斯坦的預言是正確的：大質量的物體運動，會引起時空中的波動，産生引力波。而引力波是能量與信息的載體。赫爾斯與泰勒也因爲這個重大的發現，獲得了諾貝爾物理學獎。

雖然雙星系統間接證明存在著引力波，但是人類仍然沒有真正觀測到它。這項科學研究的時機尚未成熟，還要等到很多年後。

時間來到1990年，爲了發現引力波，美國國家科學基金會投入了2.72億美元，打算建造一個跨時代的設備——LIGO，中文叫激光幹涉引力波天文台。這是有史以來，國家基金贊助的最昂貴的科研項目。後來參與這個項目的人都說，這是一個瘋狂的想法。爲什麽呢？因爲建成LIGO，要突破一大堆工程技術上的難題，比如說真空技術、激光技術、材料科學技術、地震隔離技術，還有反饋系統的精度，要向上提高幾個數量級，甚至還要用到沒有發明出來的材料，遠高于當時的科技水平。但是爲了收集引力信息，進一步了解宇宙的秘密，盡管困難重重，引力波天文台還是上馬了。

一開始，項目的負責人是幾位頂尖的物理學家，包括雷納·韋斯與基普·索恩。但是到了1994年，LIGO正式破土動工的時候，他們又請來了一位重量級的人物——加州理工學院的物理學家巴裏·巴裏什。巴裏什既是一位物理學家，又是一位工程管理者，同時還是一流的行政管理人員。1997年，巴裏什被正式任命爲天文台台長，LIGO進入到了突飛猛進的建設時期。

LIGO的原理是這樣的：引力波拉伸和壓縮空間時，似乎地球都被拉長了，但這只是動畫效果，這是爲了方便觀衆理解。其實引力波的振幅非常微小，他們拉伸和壓縮空間的距離小得驚人，僅爲10的-18次方米，相當于質子直徑的1/1000。這實在是太微小了，這是人類曆史上測量過的最微小的距離。

這麽細微的變化怎樣才能觀測到呢？首先，LIGO要在兩個方向上各建一條探測臂。因爲引力波太小，所以幹涉儀需要建成公裏級別的，最終臂長設計爲4公裏。激光束通過反射鏡形成兩條路徑，光束沿著4公裏長的探測壁傳播，並反射回來，在中央鏡片中重新組合。新的光束被引導到探測儀上。當引力波穿過天文台的時候，幹涉儀的兩臂被拉伸和壓縮，這就改變了光在兩臂中傳播的時間，激光的波形就會産生微弱的變化。

說起來容易做起來難，這種前所未有的挑戰，需要前所未有的技術支持。LIGO團隊發明了激光穩定技術，在激光強度、相位、頻率的穩定性上，都實現了重大突破。爲了制造最純淨的激光，團隊打造了有史以來最光滑的鏡片，每一片都重達40公斤，把鏡片懸挂在只有兩根頭發絲粗的硅膠線上，把它們從大地環境中隔離出來。

但即便如此，區分環境噪音仍然是個大問題，比如汽車、閃電、小型地震都會對探測産生影響。怎麽辦？LIGO又開發了複雜的數據分析算法和噪聲消除技術。雖然上馬了這麽多新技術，還是要做個雙保險。分別在華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓，建成了兩組天文台，相距3,000公裏。當兩組設備在同一時間探測出相同的波形時，就有可能是捕捉到引力波了。這是人類曆史上最精密的設備之一。

LIGO于1999年建造完成，2002年開始正式探測。這個時候大家的心氣都非常高，希望可以盡早地觀測到引力波。誰也沒想到，這一觀測就是8年。八年裏3,000個日日夜夜，LIGO卻什麽都沒有觀測到。有沒有可能，廣義相對論中對引力波的預言是錯誤的呢？或者引力波根本就觀測不到呢？

在這個重要的時刻，巴裏·巴裏什又起到了關鍵的作用。他反複與美國科學基金會溝通，讓所有的評審委員會都取得了一個共識：雖然沒有探測到引力波，但是在8年的觀測中，科學家們獲得了很多寶貴的經驗。未來一定能夠探測到引力波，但是有個條件：需要對現有的設備進行大規模的升級換代。這是一場豪賭，要不然現在就停止，不再花基金會的錢了；要不然繼續投入，繼續幹下去。

2010年，LIGO做出了重大決定：關閉天文台。停止項目了嗎？沒有，他們選擇了第二條路，進行升級改造。這一改造又用去了5年的時間。從萊納·韋斯在1972年第一次想到用激光探測引力波，到LIGO最終改造完成，時間已經過去了43年。升級後的LIGO，靈敏度提升到過去的10倍以上，稱爲先進版LIGO。到此時，LIGO項目的總成本已經高達6.2億美元，未來還將繼續投入。

2015年9月14日淩晨4點，新版LIGO測試完畢。時間來到2015年9月14日淩晨4:50，就在新版LIGO測試完成50分鍾後，一個巨大的清晰的信號，在7微秒的差距下，先後經過了兩個引力波天文台。人們簡直不敢相信，上線才50分鍾啊，這真的是引力波嗎？在科學家反複檢驗下，最終確認，這個探測結果滿足了5Sigma的要求，這是科學發現的黃金標准。意味著探測數據只有350萬分之一的概率是由幹擾信號造成的，這個概率也太小了，所以板上釘釘，人類真的發現了引力波。

這個引力波是由什麽事件發出的呢？因爲LIGO可以將引力源確定在一個環形的區域內，地面的射電望遠鏡、光學望遠鏡、紅外望遠鏡都對准了引力波的源頭。在衆多天文學家和物理學家的幫助下，通過多種科學手段，最終確認了引力波的成因。

在13億光年外有兩個黑洞，一個質量爲36個太陽，一個質量爲29個太陽。兩個黑洞合並，形成了一個質量爲62個太陽的大黑洞，並從中釋放出3個太陽的質量。這是一次驚天動地的相撞，輻射峰值功率爲3.6 X 10^49W，是可觀測宇宙所有可見光源功率總和的10倍還多。

引力波攜帶著巨大的能量與信息，在宇宙中行駛了13億年，最終被地球上的引力波天文台捕獲。這是多麽神奇的一件事啊！

萊納·韋斯在采訪中興奮地說：“如果愛因斯坦能夠知道實驗結果，我真想看看他的臉。” 正是通過這次觀測，科學家確認，引力波的傳播速度約爲每秒30萬公裏，與光速一模一樣。我們以後不能再說光速是宇宙中的最高速度了，這麽說就不准確了。應該說光速是最高速度之一，它與引力波同爲宇宙中的最高速度。這是一個細思極恐的問題：光速與引力波的速度爲什麽是一樣的呢？這兩種性質不同的傳播速度爲什麽都有上限呢？這些仍然是未解之謎。

引力波的發現是科學界的一座豐碑。從愛因斯坦預言引力波到人類發現引力波，整整用了100年的時光。

探測引力波值不值得諾貝爾獎呢？這是無可爭議的諾獎題材。2017年，因爲在觀測引力波中做出的重大貢獻，雷納·韋斯、巴裏·巴裏什、基普·索恩三位科學家獲得了諾貝爾物理學獎。而巴裏什還因此獲得了另一個尊貴的榮譽，他因爲創建了LIGO科學合作機制，在世界各地邀請了1000多位科學家參與了這個項目，成爲當之無愧的引力波領域的科學牽頭人。在《站在巨人肩膀上》一書中，巴裏什被評爲當代的科學巨人。巴裏什教授曾在一次會議上說宇宙空間是非常堅硬的。堅硬的宇宙空間到底是什麽意思呢？

根據牛頓的萬有引力公式，引力大小與距離的平方成反比。引力波與光一樣，隨著距離變遠，能量衰減的極快。這是爲什麽呢？就是因爲宇宙空間是非常堅硬的，它可以對引力波傳播有很好的響應，同時又非常難以被拉伸和壓縮。大家想一想，如果空間非常柔軟，就會産生兩種可能：第一，引力波根本傳播不了；還有另一種極端的情況，引力波把地球向上拉長個10厘米，那會有什麽樣的結果呢？我們每個人會不會因爲心髒爆裂而死亡呢？但是根據人擇原理，宇宙必須是這樣的，空間必須是堅硬的，要不然就不會産生生命，不會産生我們。宇宙的秘密遠遠超出我們的想象。當然了，有關宇宙空間是堅硬的說法，到目前爲止只有巴裏什教授這麽說過。就姑且把它當做是一個神奇的腦洞吧。

前面已經講過了，宇宙一共有四種力。強相互作用力可以通過大型的高能粒子對撞機進行觀測。弱相互作用力可以通過中微子探測器進行觀測。至于電磁力，手段就更豐富了，在全頻段電磁頻道上都能夠進行觀測。只有引力，在很長一段時間裏，人們不知道怎樣去觀測它。引力波天文台的發明實現了人類觀測引力的夢想，開啓了人類研究引力的新時代。

引力波與電磁波一樣，同樣是有頻率的。引力波的頻率以赫茲爲單位，由中子星合並産生的引力波其頻率可能在幾百赫茲到幾千赫茲之間。由黑洞合並産生的引力波頻率更低，通常在幾十赫茲到幾百赫茲之間。由宇宙膨脹引起的引力波頻率非常低，可能在亞赫茲以下。

隨著技術不斷發展，引力波觀測能力會不斷提高，在未來的某一天，人類終將能夠破解引力之謎。