十幾億年前，在浩瀚宇宙的某個時空，兩個黑洞發生了踫撞。其中一個黑洞的質量是太陽的29倍，另一個是太陽的36倍，它們踫撞後合並成一個大黑洞，質量達到太陽的60倍。黑洞踫撞是宇宙起源以來威力*的天文事件之一，釋放出的能量超過1021個太陽。黑洞合並時，無數能量以引力波的形式，不停地向外傳播，在時空中蕩起層層漣漪。

1916年，阿爾伯特•愛因斯坦在一篇關於廣義相對論的論文中預言了引力波的存在。2015年9月，引力波經過長達14億光年的星際旅行來到了地球。

從伽利略用一架簡陋的望遠鏡觀察太陽開始，人類利用400多年來所拍攝的一繫列靜止的太空照片，彙編成一部講述宇宙歷史的無聲電影。然而，所有望遠鏡都無法記錄黑洞踫撞的過程，人類能夠捕捉到的*線索可能就是時空振蕩發出的聲音。

半個世紀之前，一股記錄宇宙聲音的熱潮悄然掀起。為了“在相當於地球周長1000億倍的距離上測量出比人的頭發絲直徑還要小的長度變化”，為了給宇宙歷史這部無聲電影配上一張原聲大碟，許多科研人員全身心地投入到引力波探測實驗當中。

2015年9月和2016年2月，激光干涉引力波天文臺（LIGO）兩次成功探測到引力波，證實了100年前愛因斯坦的預言。

在《引力波》一書中，作者珍娜•萊文再現了50多年來，LIGO科學合作組織的科研人員在此過程中面臨的困難、經受的考驗和付出的艱辛。引力波探測本來隻是一個有意思的思想實驗，但引起了雷納•韋斯、基普•索恩和羅納德•德雷弗的注意。為了把夢想變成現實，他們組建了一支規模達數百人的國際性研究團隊，建造了兩臺靈敏度非常高的巨型探測器。他們一直在跟時間賽跑，希望在愛因斯坦提出引力波概念100周年紀念日到來之前，能聆聽到來自遙遠太空的“引力波藍調”。

珍娜•萊文在《引力波》一書中將這個精彩程度不亞於《星際穿越》的故事娓娓道來，以引人入勝的筆觸為我們描述了其間的驚奇、失望、成就、風險和人性。

《引力波》是一部關於引力波的編年史，有情節，有聲音，更有溫度。

推薦序          

V

第1章  黑洞踫撞    6

第2章  宇宙的聲音    9

第3章  廣義相對論    23

第4章  引力波探測先驅    36

第5章  錯誤的宣言    47

第6章  “40米”實驗室    56

第7章  藍皮書與三巨頭    64

第8章  發現脈衝星    74

第9章  實驗室裡的開拓者    82

第10章  漢福德天文臺    90

第11章  臭鼬工廠    101

第12章  霍金的賭局    114

第13章  羅生門事件    122

第14章  利文斯頓天文臺    131

第15章  一群探索宇宙奧秘的人    143

第16章  與時間賽跑

引力波關乎你我

你的職業也許跟科學研究相去甚遠，或許你隻是出於好奇偶爾翻開了這本書，引力波的字眼你可能隻是在新聞報道裡聽說過。但我想說的是這並不是一本介紹引力波天文和物理的高冷科普讀物，實際上它在探討人、自然與科學的關繫。它關乎你我。

發生踫撞的這一對黑洞，一個質量是太陽的29倍，另一個是太陽的36倍。在踫撞之前，兩個黑洞相互繞對方運行，此時，兩個黑洞之間的距離僅為數百公裡，運行速度非常接近於光速。當它們終踫撞時，後變成了一個質量是太陽的62倍的黑洞，相當於3倍太陽質量的能量瞬間通過時空以引力波的形式光速輻射出去。而13億年後，地球上的探測器捕捉到了它們運行的後4圈，隻持續了200毫秒，探測器4公裡干涉臂的長度發生了相當於質子直徑千分之一的空間變化。這一繫列的數字的確讓我們領略了自然的神奇，人類從沒有如此貼近和聆聽自然，無論從大尺度的宇宙黑洞，還是甚至要考慮到量子噪聲的探測器的微觀變化——引力波給我們展現了一幅前所未有、波瀾壯闊、嘆為觀止的宇宙和自然圖景。

然而你不覺得，人類自身不是更神奇嗎？1916年愛因斯坦發表論文預測了引力波的存在，100年後的2016年激光干涉引力波天文臺（LIGO）科學合作組織1000多名科學家宣布成功實現了引力波的直接探測。100年來人類探索引力波存在的努力從未間斷過，而其中經歷的種種更是在這本書裡生動的娓娓道來，有合作、奮鬥與榮耀，也有爭執、猜忌和鬥爭，有血有肉、歷歷在目。2004年一個偶然的機會我加入了美國麻省理工學院的LIGO實驗室，而在此之前我根本不知道什麼是引力波，但從此以後我也從沒放棄過對引力波研究的追尋。直到2015年9月14日那個引力波信號到來的時刻，根本沒人敢相信那是一個真實的信號，它簡單得近乎荒謬，與理論推斷得出的引力波沒有任何顯著不同。人類的理性與自然的神奇在那一刻達成了前所未有的默契，而其中經歷的是整整100年的科學探索。LIGO的創始人雷納說：“重要的是，我了卻了一樁心願”。我2006年從麻省理工學院回到清華大學信息技術研究院工作，搞引力波研究多少顯得有些不務正業，引力波探測希望渺茫，我參與其中卻也樂此不疲，想想為什麼我也說不太清楚。

自然是什麼？人為什麼會來到這個世界？每個人都有一顆與生俱來的好奇心。找一個寂靜的下午，泡上一杯茶，放松一下你的身心，這是一本值得坐下來好好讀讀的書。

曹軍威

2017年6月於清華園

珍娜·萊文在深入了解引力波項目的基礎上，用細膩的筆觸描寫了項目背後的人文故事，介紹了一群滿懷希望、堅毅執著的科研人員。多年來，他們一直奮戰在科技前沿，不斷改進機器的靈敏度，努力探測阿爾伯特·愛因斯坦於1916年預言的引力波。終於，在愛因斯坦提出引力波概念100周年紀念日到來之前，項目組探測到了引力波。作為一名專業的天體物理學者和黑洞專家，她的寫作深入淺出，生動易讀。

——雷納·韋斯，麻省理工學院物理學榮休教授

這部文筆優美的著作引領讀者透過“引力波的窗口”了解宇宙探索的奧秘，認知黑洞踫撞與時空彎曲引發的天文現像。作為引力波探索活動的參與者，我發現珍娜·萊文把我們的願景、奮鬥過程，以及在成功道路上克服一切艱難險阻的精神都表現得淋漓盡致。我認為這是一部非常棒的作品。

——基普·索恩，著名理論物理學家、《星際穿越》作者

如果亨特·湯普森（“剛左”之父）擠出時間攻讀了物理學博士學位，並且對引力波產生了濃厚興趣，他就有可能寫出這樣一本書。當然，這隻是假設。珍娜·萊文的這部著作睿智、新穎，道出了引力波科研人員的心聲。

——艾倫·萊特曼，麻省理工學院物理學教授、《偶然的宇宙》作者

這部精彩的作品是科學與紀實電影的結合體。珍娜·萊文把我們帶進了一個令人陶醉的世界：科研人員絞盡腦汁，試圖探測宇宙的聲音——引力波。故事的主線是監測……是有史以來*靈敏、*堅決、*執著的監測。作者的觀察深入敏銳，文筆熱情奔放，對科學探索的描寫具有很強的故事性和感染力。

——史蒂夫·斯托加茨，康奈爾大學數學教授、《x的奇幻之旅》作者

引力波探測器LIGO的成就不亞於伽利略四百年前望遠鏡取得的開創性成就，背後的歷程和故事隻有一些具備特權的人纔能得知，而作者正是這樣的一位天文學家，更加難得的是，作者還是一位善於講故事的人。

——李淼，中山大學教授

直接探測到引力波被我稱為2016年*美的科學事件，不出意外今年將獲得諾貝爾物理學獎。我也曾經“嘲笑”他們這麼多年來能夠“自娛自樂”地堅持下來。這本書講的正是這些傳奇故事！

章
黑洞踫撞

    在宇宙的某個地方，兩個黑洞發生了踫撞。這兩個黑洞與恆星的質量差不多，體積卻隻有一般城市那麼大，是真正意義上的黑洞（裡面空蕩蕩的，沒有一絲光）。在踫撞發生前的後幾秒鐘裡，它們在引力作用下一起繞著終接觸點完成了數千次的旋轉，使時空發生了劇烈振蕩。踫撞之後，這兩個黑洞合並到一起，形成了一個更大的黑洞。黑洞踫撞是宇宙誕生之後威力的一個現像，釋放出的能量超過1021 個太陽。踫撞發生時一片黑暗，爆炸產生的所有能量都不會以光的形式逸出，所以用任何望遠鏡都無法觀察到。

黑洞合並時，無數能量以純引力，也就是引力波的形式，不停地向四周傳播，時空受到擾動而泛起漣漪。但是，即使有宇航員正好在附近，他也不會看見任何異常現像。不過，他所在的空間會發生鈴振現像，對他擠壓、拉伸，使他的身形發生變化。如果靠得足夠近，他的聽覺器官會隨之振動，也就是說，他可以“聽見”引力波。在空無一物的黑暗中，他可以聽見時空發出的聲音（如果黑洞沒有奪走他的生命）。引力波就像不需要物質媒介的聲音，在黑洞相互踫撞時，就會發出這樣的聲音。

沒有人聽過引力波的聲音，也沒有任何儀器留下清楚無誤的記錄。雖然引力波以光速傳播，但是從踫撞點傳播到地球可能需要10 億年的時間。在到達地球之前，黑洞踫撞發出的聲音已經非常微弱了，以至於用語言根本無法形容，如此微弱的聲音我們肯定難以察覺。在引力波抵達地球時，空間的鳴響會引起距離的相對變化，在相當於三個地球並排的跨度上位移一個原子核的寬度。

半個世紀之前，一股記錄天空中各種聲音的潮流悄然興起。LIGO（激光干涉引力波天文臺）是美國國家科學基金會（NSF，為基礎性科學研究提供支持的美國聯邦政府獨立機構）迄今為止投入多的項目，包括兩臺探測器，分別位於華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓，各占地4 平方公裡。LIGO的綜合成本超過10，參與合作的全球科學家和工程師有數百人之多，是所在專業領域幾十年來科技創新工作的一個標志性成果。在過去幾年裡，為了提升探測能力，這兩臺機器都處於脫機狀態。一名實驗人員告訴我，機器的所有部件都被更換了，除了那個空空如也的管道（真空管）。與此同時，世界各地的科研團隊都在進行緊張的計算，希望可以預測宇宙喧鬧的狀態何時到來。

理論學家則利用這段時間設計數據算法，建立數據庫，並想盡辦法充分利用這些工具。為了“在相當於地球周長1 000 億倍的距離範圍內測量出比人的頭發的直徑還要小的變化”，許多科研人員全身心地投入其中。

如果探測到引力波，人們有望在隨後幾年裡取得豐碩的成果，因此位於地球上的天文臺渴望記錄天文巨變從不同方向、不同距離傳到地球上的聲音。死星發生踫撞，古老的恆星發生爆炸，還有曾經發生的宇宙大爆炸，所有這些高衝擊強度的混亂狀況都有可能引起時空振蕩。從伽利略用一架簡陋的望遠鏡觀察太陽開始，人類把400 年來拍攝的一繫列靜止的天空照片，彙編成一部講述宇宙歷史的無聲電影。在這些天文臺投入使用期間，科學家們將為這部電影配上一首不是很悅耳卻非常熱鬧的主題曲。

在這個嘗試測量時空形態微弱變化的具有裡程碑意義的實驗中，我身兼數職：首先是作為一名科研人員，希望為一個龐大的科學領域做出自己的貢獻；其次是作為一名初學者，希望深入了解干涉儀；後是作為一名作者，用手中的筆記錄人類在黑洞研究活動中取得的重大進展。隨著全球範圍內爭相建造引力波天文臺的熱度逐漸消減，這個領域即將有重大發現的前景牢牢地吸引了人們的注意力。不過，仍然有人強烈懷疑它終能否取得成功。

盡管在開始的時候，LIGO項目面臨諸多困難：爭議不斷，權威科學家表示反對，團隊內部鬥爭十分激烈，技術上也一籌莫展。但是，LIGO項目沒有被擊垮，而是擺脫了陰影，不斷變強，走上了發展的道路。50 年前，使用一個無比龐大的機器去捕捉極其微弱的聲音，還僅僅是人們的一個遙遠的夢想，而現在已經萬事俱備，隻欠東風了。在20 世紀60 年代，這個靈光乍現而來的思想實驗仿佛一首令人莞爾的俳句詩，而現在它已經變成由金屬和玻璃制成的實物。2015 年秋，在愛因斯坦提出引力波預言的100 周年之際，改進後的LIGO探測器開始記錄太空傳來的聲音。在一兩年（也有可能是三年）之內，這些機器就會達到靈敏的狀態。

上一代的機器證明這個概念是可行的，但成功卻不是唾手可得的，因為大自然並不總是按人類的意願行事。這些高精尖的機器可以自動鎖定目標，也可以由人來完成調整、修正、校準等操作。如今，這些機器靜靜地等待著捕捉某個非同尋常的信號，科學家們也摒除疑念，堅持完成後的工作。

本書既是一部引力波編年史（是宇宙歷史的有聲記錄，也是為那部無聲電影譜寫的主題曲），又是獻給那些矢志不渝、堅持不懈的實驗人員，以及愚公移山式科學精神的一首贊歌。