這個宇宙正要告訴我們一些基本的東西——它是怎麼來的。一些十分聰明的科學家們正沿著愛因斯坦未走完的旅程前進，嘗試著去聆聽我們的宇宙。幸運的是，有一位洞察一切而義口齒清晰的導遊來帶領我們踏上這次偉大的探索征程，她就是瑪西亞芭楚莎。——安德魯•紫金，《人在月球》作者 

這是引力波物理學的一個美妙故事，書中滿是關於細心研究的科學和孜孜不倦的科學家們的描寫——文筆優美，毫不拖沓，且表述清晰。——尼爾·德格拉斯·泰森，組約市海登天文館館長 

跟著瑪西亞·芭楚莎暢遊引力波世界時，請繫好安全帶，並靠向時空的彎曲處。你將會看到手持自來水筆的理論家和指甲髒兮兮的實驗家們正齊心協力，要給宇宙開一扇寬敞的新窗口。他們會成功嗎？沒人知道。但瑪西亞·芭楚莎給他們工作的長長的黑暗隧道裡照進了一束智慧激光，由此你可以分享這趟科學之旅的樂趣。——羅伯特·P·克史納，哈佛-史密松天體物理中心天文學教授 

本書出色地描寫了：科學家們反復告訴自己愛因斯坦一定正確時，內心裡懷疑和肯定兩者之間的激烈踫撞。這是一場高賭注的比賽，而參與者們從某種意義上來說都是賭徒。本書生動巧妙地勾畫講述了他們的策略、力量和弱點之所在。——大衛·德沃金，天文學和空間科學歷史館館長，美國國家大氣和太空博物館，史密松博物館

第1章 降G調空間（部分）

我們在討論“空間”時，總是不假思索，脫口而出：“這幢樓再沒有一間辦公室的‘地兒’了。”“同志，讓點‘空兒兒’。”雖然對於普通大眾來說是顯而易見的，但從深層次的考慮來說，“空間”的概念還是很難以捉摸的。英國哲學家伊恩?辛克法斯曾經質疑過：“通常人們把萬物分為物質、空間和時間。物質存在於空間，延續於時間。但這並不能說明什麼是空間……關鍵是我們看到的、聽到的、摸到的是什麼，是什麼引起了我們的感覺……”我們能意識到空間的存在，但並不能看到它，聽到它，真切地感覺到它。那麼，到底什麼是空間呢?

感覺到空間的極限和範圍，很可能是早期智人的成就之一。在意識到隻有通過一定的努力，纔能走到附近的一條小河邊、一塊石頭旁，或一棵樹下時，早的空間概念就從周圍熟悉的事物中產生了。空間感的產生很可能早於時間感，因為我們是用描述空間距離的詞“長”或“短”來形容時間的。而隨著農業時代的到來，對空間的精確測量就成了一種生產需要。比如，耕種一塊土地或挖掘一道溝渠，都需要這種測量。正是從這些生活瑣事中產生了深奧的空間概念。古希臘的哲學家們提出了一種有關虛空的氣(pneurna apei—ron)，即一種允許物質在其中分離的東西。原子論之父德謨克利特就需要這樣一種“虛空”，一種不存在任何東西的“虛空”，來使其理論得以成行。“空間”就是這樣一種能使他的物質顆粒——原子——在其中運動的空的範圍。

這樣的討論很快就擴展到了對抽像的空問概念的思考。另一位古希臘哲學家阿基塔斯問了這樣一個問題：當你走到世界的盡頭並伸出你的手去，將會發生些什麼呢?你的手會不會被空間的邊界給擋住呢?德謨克利特的學生盧克萊修認為答案是否定的，並給了一個有趣的證明來說明空間無限：設想一個人跑到世界的邊緣並扔了一支標槍出去，因為沒有東西阻擋標槍前進，所以他認為宇宙應該不斷向外延伸，以至無窮。而亞裡士多德卻持相反的意見，認為宇宙是有限的。他曾說：“很明顯，天堂之外沒有空間、虛空和時間”，並認為如果一塊石頭落向地球是在尋找它在宇宙中心的自然位置的話，那麼上升的火焰也總歸將會踫到一個邊界的。在亞裡士多德的物理世界裡，“上升”運動和“下降”運動勢必保持平衡。另外，如果宇宙無窮大，那麼在其遠的邊緣被迫繞靜止地球旋轉的物體，將會“以無窮大的速度停止運動”。這種情形在他看來，顯然是很荒謬的。

直到文藝復興，人們一直都在激烈爭論著“空間”這個話題。在中世紀，神學常常給這種爭論注入一種偏見。現來考慮古希臘原子論者提出的“靜止的虛空”，這個概念意味著上帝創造了一種他無法移動的東西，這對上帝的全能性構成了挑戰。所以這種觀點被認為是異端的，不為世俗所容。但是，自然哲學家們於14世紀已開始考慮“運動學”，即關於運動物體的學問了。這樣，他們就需要引進一個“靜止空間”概念，好讓速度和加速度等物理概念都有一個參考繫。其中，有個人在探索運動所遵循的數學規律時，就做了這樣的假設。這個人改變了整個科學圖景。他就是艾薩克·牛頓爵士。

1665年，可怕的黑死病在英國爆發了，並一路向北傳到了大學城劍橋，牛頓便於當年夏天回到了兒時生活過的莊園，即位於林肯郡的沃爾索普。他在那兒辛勤工作了兩年，在隻有20歲出頭時，就開始研究他那些重要理論的數學和物理基礎了。這些早在他的學院生活時就產生了萌芽的理論包括：顏色理論、微積分，還有重要的萬有引力定律。1667年，24歲的牛頓重返劍橋，兩年內就被聘為盧卡錫數學教授，這在劍橋可是一種很高的榮譽。因為性格內向，而且有點兒神經質，牛頓沒有發表自己很多革命性的觀點，擔心公開後會招致批評。直到1684年，在各種問題的啟發下和埃蒙德·哈雷的不斷督促下，牛頓終於開始動手寫作他那部歷史巨著 ——《自然哲學的數學原理》了。他放棄了剛剛迷上的煉金術，把他傳奇式的精力都集中在《自然哲學的數學原理》上，隻用了不到兩年時間就完成了此書。

《自然哲學的數學原理》闡述了引力理論和運動學。牛頓在這本書中提到，自然界的力，並不像亞裡士多德所說的那樣維持著物體的運動，而是物體運動狀態改變的原因。牛頓明確了伽利略由實驗得來的推斷：①運動的物體並不自動趨於靜止，而是一直運動下去，除非受到摩擦力這樣的外力的作用；②力的效果是使物體啟動、減速或改變方向；③兩物體間的引力，依賴於兩個因素：各物體的質量和它們之間的距離。物體的質量越大，引力越大；而距離越大，引力越小。

更確切一點說就是：③兩物體間的引力與各自的質量成正比，而與兩者之間距離的平方成反比。更重要的是，牛頓認識到把蘋果吸引到地面的力（傳說中，正是因為在沃爾索普看到蘋果落地，牛頓纔受到啟發，開始了對引力的思考），也是維持月球圍繞地球旋轉的力。  

他甚至還推導出了決定這些運動的公式。他發覺自然界是用一本數學書來作為上演一場場精彩戲劇的劇本的。他還發現所有的運動，無論是天上的還是地上的，都遵守著同一個物理規律，這個發現成了科學史上的一座裡程碑。而在這之前，哲學家們普遍認為天堂與人間截然不同；人間的東西都遵守著演化的規律，終都會走到自己生命的盡頭
——而天上的星星卻是永恆的、不朽的。但是牛頓的理論卻把天堂人間統一了起來。現在，一個無所不能的數學公式可以解釋兩個不同世界裡的事物：地上的潮汐，天上彗星和行星的運行，甚至加農炮炮彈的運動軌跡。所有這些事物的運動軌道，都可以同樣精確地計算出來了。牛頓的貢獻太大了，他因此成了英國歷史上位因自然科學工作而被授予爵位的人。

跳傘運動員和蹦極愛好者之所以垂直下落，是因為地球引力在往下拽著他們。引力不但主宰著宇宙的進化，還決定著宇宙在大尺度上的結構。然而，看起來有點自相矛盾的是，引力卻是宇宙中弱的力。一塊小小的磁鐵可以克服整個地球的引力把一個書夾給弔起來；兩個彼此相鄰的質子，它們之間的引力隻有電磁力的一萬億億億億分之一。引力隻有在質量很大或距離很遠時纔起決定性作用，比如在行星、恆星或星繫之間。

牛頓的理論需要一個時空架構，所以時間和空間顯得尤其重要。就拿牛頓定律來說吧：一物體在沒有外力的作用下，將保持靜止或勻速直線運動狀態。但是這個“靜止”是相對於什麼來說的呢？

“運動”又是朝著哪個方向或者背離哪個方向的呢？一提到運動，我們就必須選定一個參考繫。比如，一個小孩子坐在飛馳中的汽車上看書，對於路邊的旁觀者來說，小孩子手裡的書也在飛奔；但對於小孩子來說，書本卻是靜止不動的。牛頓的應急方案是在宇宙大尺度上選取一個參考繫。空間就是它自身的靜止參考繫，均勻、透明，且永不改變。這種想法並不是牛頓首創的
——比如，在他之前，伽利略就曾在宇宙中安置了一個連續的三維虛空 ——但牛頓用它來書寫了一部完整的“科學聖經”。他曾說道：“空間就其自身來說，保持著靜止狀態。”他的話在當時可是有著無上權威的。空間是靜止的，宇宙中的任何其他東西都相對於它運動。空間就像是牛頓的一個空的容器，你要麼相對於它靜止，要麼相對於它運動。位置、距離、速度都是相對於這個固定不動的空間來說的。隻有建立了這種框架、這種不變的宇宙圖景，他的理論纔能成立。

在空間裡測量速度，還需要一座能為這個宇宙裡所有居民計時的普適時鐘。所有的事件，無論發生在哪兒，無論發生的速度有多快，都可以用這個普適時鐘來計時。一座放置在宇宙邊緣的鐘、一座在宇宙中高速穿梭的鐘，都可以和地球上的鐘一樣，用分、秒來計時。這就意味著，位於宇宙兩側的兩個觀察者在相向而行時，可以同時校正他們的時鐘。牛頓在《自然哲學的數學原理》裡還說：“時間的流逝不依賴於任何事物”，他的時鐘從不受周圍事物的影響。就像高聳在倫敦上空的大本鐘一樣，時間突兀於宇宙之上；而在它下面的我
們這個廣袤的宇宙裡，星繫不斷踫撞，太陽繫業已形成，衛星們也在忙碌地圍著行星旋轉。

牛頓的引力理論在預測行星運行軌道上大展身手的同時，卻又有著一個致命的弱點：它並沒有給出引力產生的機制。到底是什麼東西在把行星們和其他天體拉扯到一起，繞彼此旋轉的呢？牛頓的引力一旦產生，就立刻玩魔術般地傳到了很遠的距離之外。這就有了點超自然的意味。正如當時一位尖酸的批評者所說：“萬事萬物牛頓都能計算出來，就是無法給出解釋。
”對於一些人來說，沒有給出事件產生原因的理論，不是什麼好理論。牛頓也意識到了這一點，悲哀地解釋說：“兩物體之間的力是通過真空傳遞的，不通過任何媒介而把作用力施加到另外一個物體上，這太荒謬了！我相信任何一個有著正常哲學思維的人都不會這麼認為的。
”但他還是從實際出發，決定堅持自己的理論，選擇了一條能夠給出正確預測的道路。在與牛頓的一次假想對話中，愛因斯坦曾說：“你發現了的一條出路。在你那個時代，隻有具有高超思維和創造力的人纔能做到這一步。”的確，牛頓引入的空間和時間是他理論中的瑕疵，但這兩個概念卻深深扎根於物理學中了，畢竟牛頓的理論能給出正確的結果嘛。

牛頓的空間和時間的概念，影響了整個物理學長達200多年，但這並不意味著所有的人都接受它們，也曾有人發表過自己的批評意見。其中，著名的要數英國哲學家喬治·伯克利和德國外交官兼數學家戈特弗裡德·威廉·萊布尼茨了。在角逐微積分先發明權時，萊布尼茨還曾經是牛頓的主要對手呢。對於伯克利和萊布尼茨來說，時間和空間根本就不是固定的實體。萊布尼茨曾宣稱：“時間
和空間隻是物質的次序，但它們自身並不是物質。 ”時間和空間隻有在與物質發生關聯時纔有定義。對於持相似觀點的穆斯林哲人們來說，這樣就避開了“創世紀之前上帝在哪兒”的問題。答案很簡單：那時候不存在空間，沒有“哪兒”之說。空間是在物質出現之後纔存在的。行至暮年的牛頓，為自己對時空的擔憂找到了一個宗教上的解釋：
“（上帝）是永恆的，且無處不在；借此，他創造了時間和空間。 ”牛頓之所以堅持這種理解，原因很簡單：他的方程處處成立。

對於古希臘哲學家來說，數學很大程度上隻是一種審美體驗。這種看法被牛頓通過自己強大的引力理論給否定了，他向公眾表明了數學還能開闢一條通向發明創造的道路。他將數學公式轉化成了物理定律；借助這些定律，大自然的各種運動
——行星的運行、光的傳播、機械的運轉等 ——都可以預測。人們對牛頓定律的可靠性深信不疑，以至於在牛頓定律失效時，比如在不能解釋天王星的運行軌道時，人們首先假定的不是牛頓定律出錯了，而是在天王星之外還潛伏著一顆不為人知的行星，從而導致了天王星運行軌道的偏差。在此特例中，對牛頓的深信不疑獲得了優厚的回報。1846年，科學家們發現了海王星。對於那些持批評態度的人來說，對手的這個勝利實在是難以招架。

在數學上，牛頓假定空間是“歐氏空間”，有著古希臘著名幾何學家歐幾裡得定義的所有特征。盡管幾何學起源於尼羅河畔的古埃及
——由法老的測量員、拉繩定界先師所發明 ——但這些規則傳到古希臘時就演變成了數學定律。古希臘哲學家們在幾何學中看到了一種純粹的真理，一種僅僅通過邏輯推理就可以得到的真理。幾何學證明了物理世界可以隻通過純粹的推理來探究。古希臘人十分尊崇幾何學，據說柏拉圖就曾在自己創建的“學園”大門上標明：“不懂幾何者禁止入內。
”歐幾裡得是幾何學的泰前300年，他寫下了《幾何原本》一書，書中將當時所知的幾何知識全部以簡練的公理和公設表述了出來。在之後的2000年裡，此書一直都是所有數學思想的基礎。