“天空和以前不同了，想象你可以触摸，可以闻，可以尝，可以看——然后有一天，你也听得到了。”
来自意大利帕多瓦的物理学家马尔科·德拉戈（Marco Drago）回忆起2015年9月14日的那个早晨，他在位于德国汉诺威的马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）的办公室里收到那封来自激光干涉引力波天文台（LIGO）的系统自动提示邮件，或许仍然会感到激动不已。这个被最终确认的引力波探测信号为人类持续了将近100年的对广义相对论的实验验证画上了句号，而毫无准备的博士后德拉戈则成为世界上第一个发现引力波信号的人。虽然工作的方式和意义都有所不同，但也许日后人们会把他同英国物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）联系在一起，这两个人分别为人类实验检验广义相对论的故事书写了开头和结尾。
另一个故事则刚刚开始。第一次直接探测到了引力波的存在，这为人类的宇宙探测打开了另一扇窗户。“天空和以前不同了……你也听得到了。”来自哥伦比亚大学和LIGO团队的物理学家索博尔奇·马尔卡（Szabolcs Márka）这样描述探测到引力波信号对于人类天文学研究的意义。可以说，引力波是来自宇宙深处最细微、也最清晰的声音，从此以后，引力波天文学将成为人类天文学研究的重要组成部分。
广义相对论的完成
2016年的情形与1919年时已经大有不同。当年爱丁顿为了验证广义相对论关于光线受到引力场的作用会发生弯曲的预测远赴西非观测日食，几乎可以算作是一个带有个人英雄主义和国际主义色彩的传奇故事。在第一次世界大战刚刚结束之后，一个英国科学家不远万里去验证一个德裔犹太科学家的理论，而发回的结果让全世界震惊，宇宙在一夜之间改变了面孔。
到了21世纪，人们仍然在寻找着验证广义相对论最深刻也是最为虚无缥缈的预言的证据，但此时在物理学界几乎已经没有人怀疑广义相对论的正确性，这次进行探测的仪器是人类工程学成就的结晶——激光干涉引力波天文台。几十亿美元的投资，经过数十年时间的计划、建造和升级之后，激光在激光干涉引力波天文台相互垂直的长达4公里的长臂中被反复反射，探测时空中不到一个质子直径长度的震荡变化，有超过1000位遍布世界各地的科学家为这个天文台工作，因此最先发现引力波信号的科学家并不在探测装置所在的美国，而是在德国的办公室电脑前等待系统提交的自动检测结果。
这两个故事的相同之处在于对广义相对论的两次实验验证都引起了全世界范围的轰动，无论是否理解相对论，人们都在兴致勃勃地谈论着宇宙，暂时把目光投向了星空，人们谈论着这个与自己日常生活经验完全不同的宇宙，为自己身在其中而感到迷惑和兴奋。一个用几何语言描述的玄而又玄的物理学理论，跨越了100年的时间，两次成为全世界的焦点，改变了人类对宇宙的认识，这是爱因斯坦留给人类的遗产，而这份遗产最重要的意义，现在才刚刚开始展现出来。
一件作品被完成之后，在某种意义上就脱离作者而独立存在，拥有了自身的生命力，广义相对论就是如此。作为广义相对论的作者，爱因斯坦对它的意义的理解可能不及其他一些物理学家深刻，他对由广义相对论得出的一些结果并不信服——他一生都不相信黑洞真正存在，在很长一段时间里都认为引力波只是不同数学形式的变换而已，并不真正存在［直到发表广义相对论20年以后，爱因斯坦被美国物理学家罗伯特逊说服，才开始相信引力波是真实存在的，但他仍然不相信人类有可能真正探测到这种时空中极其微弱的波动。而和爱因斯坦共同工作多年、共同研究广义相对论的物理学家纳森·罗森（Nathan Rosen）则始终都不相信引力波的真实性］。这样说来，人类在2015年9月因为13亿年以前两个黑洞的合并，通过激光干涉探测到引力波的存在的直接证据，具有多重的意义——别忘了，爱因斯坦同样也是激光理论的奠基人。
尽管在物理学领域已经几乎没有人质疑广义相对论的正确性，但直接探测到引力波信号仍然会让很多物理学家暗中松一口气，毕竟人类宇宙学的诞生和发展是建立在广义相对论的基础之上的。探测到引力波，是对广义相对论最严苛的证明，人们现在可以确信，即使是在引力场最强大的黑洞附近，时空的几何特性仍然遵守爱因斯坦由黎曼几何推导出的广义相对论的约束，人类探索宇宙的理论工具依然正确。至此，100年来人类通过广义相对论对宇宙的特性做出的预测全部通过了验证，可以说，广义相对论是人类文明最伟大的财富。
探测到引力波的意义远不止于验证广义相对论，这个发现本身就算得上是人类对于自身工程学成果的一次检验和庆祝。在地球上发现时空相当于不到一个质子直径长度的变化，这样的探测精度在爱因斯坦看来是遥不可及的，却在几十年后成为现实。位于美国路易斯安那州和华盛顿州的两个LIGO探测器，可以“听到”岸边海浪对海岸的每一次敲打，飞机在上空飞过时发出的扰动，树林里树木倒下时产生的震动，甚至是洗衣机在附近工作时产生的震动，最终“听到”了13亿年前两个黑洞碰撞的“声音”。这两个探测器是人类聆听宇宙的耳朵，而且在不远的将来，越来越多这样的耳朵将会出现在地球的地面、地下和太空中。
因为包括电磁波在内的一切物质都无法逃出黑洞的引力场，人们永远都没法“看到”黑洞的存在，此前人类关于黑洞的一切证据都只是间接证据，天文学家可以观测到黑洞周围被它的引力场所加热的气体，也可以观察与黑洞相互环绕运转的恒星来推测黑洞的存在。如果没法“看到”，或许可以“听到”，引力波是人类目前对黑洞进行直接探测的唯一方法，科学家们喜欢把引力波和声波进行类比，利用先进激光干涉引力波天文台（aLIGO）人类听到了黑洞碰撞合并时发出的声音。aLIGO探测到的两个黑洞相撞发射引力波频率，恰好在人类听觉的频率范围以内，因此物理学家们可以直接把引力波探测信号转化为声音信号，这样人们对于引力波就可以有更直观的感受。
引力波所携带的不光有能量，还有关于它们产生过程的信息。总质量相当于60多个太阳质量的两个黑洞的碰撞，声音并不显得沉重而古老，听起来反而像是一声鸟鸣，与科学家们此前利用计算机模拟的结果完全相同。同样是剧烈的宇宙现象，超新星爆发所产生的引力波与两个黑洞合并所产生出的引力波就会截然不同，物理学家们模拟出的黑洞碰撞合并的“声音”与中子星碰撞合并发出的“声音”有些类似又区别分明，人们可以轻易地听出两者的区别，宇宙间最神秘的现象听起来变得平易近人。
通过aLIGO探测到的黑洞碰撞引力波信号，不仅是人类第一次真正探测到了黑洞，终于直接证实了这种天体的真实存在，还具有更重要的天文学意义。这种质量级别的黑洞比较难于发现，只有当这类黑洞的周围有颗明亮的恒星围绕它运转时才有可能被人注意到，而且这次观测到的更是一种非常罕见的双黑洞系统，这种双黑洞系统在宇宙中是否真正存在，此前一直是天文学家们争论的课题之一。麻省理工学院的物理学家马修·埃文斯（Matt Evans）评论说，不知道要多久以后人类才能再次观测到这种罕见的双黑洞系统。
这个罕见的双黑洞系统有可能是几十亿年前由两个质量大约为太阳100倍的恒星塌缩形成的，彼此相互环绕运行，距离逐渐接近，运动的速度也逐渐加快，并且释放出越来越强烈的引力波。在两个黑洞相撞的过程中，彼此运动的速度已经达到了光速的一半，在不到一秒钟的时间里，通过引力波释放出的能量超过了整个宇宙中所有星光的能量，这是广义相对论在宇宙中最极端的条件下进行的展示。
除了这次历史性的引力波探测，还有一些令人难以理解的信号随之而来。美国航空航天局（NASA）的费米伽玛射线望远镜（Fermi Gamma-Ray Space Telescope）在aLIGO探测到引力波信号之后的0.4秒，就发现了一次强烈的伽玛射线爆发。尽管目前人们还不知道这两者之间是否有联系，但是根据科学家的计算这两者纯属巧合的概率仅为0.22%。在理论上，目前天文学家还很难理解两个黑洞的合并为什么还会伴随着强烈的伽玛射线爆发，只能就此进行各种猜测。哈佛大学的物理学家艾维·洛布（Avi Loeb）提出了一个惊人的假设，他认为这两个相撞的黑洞有可能是在一个超级巨大的恒星内部，因此它们的碰撞随即引发了这个超级恒星的伽玛射线爆发。
引力波天文学
LIGO最早的建造者之一、加州理工学院的理论物理学家基普·索恩（Kip Thorne）认为，首先发现引力波并不是LIGO的首要任务。在取得了突破性成就之后，aLIGO团队开始把aLIGO转换为一个常用的引力波探测设备，当引力波探测成为常态之后，就会开启天文学研究的另一扇窗——引力波天文学。
在20世纪90年代，几位引力波探测的先行者试图申请美国自然科学基金拨款，建造激光干涉引力波天文台时，最主要的反对声就来自于天文学家。当时的天文学家们认为建造这样耗资巨大的探测装置对于天文学研究毫无用处，但现代的天文学家们已经开始畅想引力波天文学的广阔前景。利用引力波，天文学家们可以为许多悬而未决的天文学问题写出答案，而更令人激动的则是此时人们甚至还没有预料到的突破。
引力波与电磁波有着本质的不同，这使此前主要通过电磁波观测宇宙的天文学家们多出了一个截然不同的宇宙观测方法，因此有人把发现引力波的意义同伽利略第一次利用自己磨制的望远镜观察天空相提并论。人类多出了一种探测宇宙的新方法，对于同一个天文事件，天文学家就可以通过电磁波、中微子和引力波等不同的手段进行比较观测，当引力波天文台探测到一个信号之后，可以马上提醒其他类型的天文望远镜对一个特定区域进行观测并进行比较。
除此之外，相比于电磁波，利用引力波进行天文学探测有着独特的优势。每一个原子都可以发射和吸收电磁波，因此一些剧烈的宇宙现象所发出的电磁波很容易在到达地球的途中被吸收或是被干扰、散射，这使得在地球上的天文学家无法确定信号的来源，更无从得知这些电磁信号的本来面目。另外，通过电磁波，天文学家只能研究一些天体表面的信息，其内部的电磁信号则很难突破天体的表面传播出来。此前天文学家只能通过收集到的极少的中微子信号对各种天体的内部结构和变化进行推测，引力波天文学则可以独辟蹊径。
引力波通过时空本身传播，几乎不会受到干扰，也几乎不会被宇宙中的物质所吸收，因此天文学家们更容易通过引力波信号来确定发射引力波源头的确切位置。另外，如同一件乐器的各个位置都要振动形成共振才能发出和谐的声音，人们可以通过引力波所携带的信息来研究发射出引力波的天体内部结构的变化过程，这是目前人类详细了解天体内部结构变化的唯一手段，而把探测结果与理论预测的结果相比较，则又是验证各种物理学假设、促进理论进步的动力。
尽管距离真正开始引力波天文学研究，天文学家们可能还需要几十年、甚至上百年的努力，此时我们可以先想象利用引力波可能解决的难题。目前宇宙学最为深刻的问题莫过于暗物质和暗能量的真实身份，暗能量是宇宙加速膨胀的动力，除此之外人们对它的性质还一无所知。精密的引力波探测与其他探测手段相结合或许可以让天文学家们理解宇宙在不同时期膨胀的不同速度，掌握暗能量推动宇宙加速膨胀的历史和细节，最终理解它的真实身份；而暗物质除了引力作用之外，几乎不与普通物质发生相互作用，如果可以探测到来自暗物质的引力波，人们将有可能对暗物质的结合方式和运动方式都有精确的理解，这将是理解暗物质性质的关键。
暗能量与暗物质研究之外，宇宙学研究中最重要的一个假说——宇宙暴涨，也需要利用引力波探测给出验证。1980年，当时在斯坦福大学工作的理论物理学家阿兰·古斯（Alan Guth）首先提出了宇宙暴涨假说，他认为宇宙在发生大爆炸之后的极早期，在极短的时间内发生了一次暴涨，从量子态迅速转变为宏观状态，这个假说可以解释很多天文学家观测到的宇宙现象，但是始终没有确切的实验证据对其进行证实。“婴儿时期”的宇宙处于一种混沌状态，光子不停地被物质释放和吸收，宇宙中没有自由光子，并不透明，因此利用电磁波对宇宙进行观察，最早只能观察到宇宙诞生38万年之后，空间里存在了自由光子之后的历史。而在此之前，如果宇宙真的曾经经历过一次暴涨，那么这次暴涨将会产生出“原初引力波”，利用更精密的仪器有可能探测到原初引力波的痕迹，如果成功，将是对宇宙暴涨假说决定性的证明。
在宇宙的婴儿时期虽然光线混沌，产生出的引力波却可能是清晰的，早期引力波的痕迹可能至今仍然在时空中存在，这也就给了天文学家们离开各种假设和模型，通过原初引力波探索宇宙通过大爆炸诞生之后的真实情形的可能。在宇宙诞生初期，目前人类发现的自然界中四种相互作用——强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用可能还没有分开，四种相互作用在极端的条件下有可能仍然处于统一的状态，因此，研究早期的宇宙状态也为物理学家最终完成大统一理论提供了可能。
除了一些大问题之外，一些相对微妙细致的问题同样吸引着物理学家。类似于电磁波通过光子传播，有理论假设引力通过一种质量为0、自旋为2的“引力子”传播，这种粒子至今还没有被发现。那么引力子是否真实存在，它的质量是否为0？对于同一个天文事件，如果科学家们观测到了它所发射出的引力波与电磁波，并且比较它们到达地球的时间，就可以确定引力波是否真正以光速传播（类似于中微子，如果引力子具有极其微小的质量，那么引力则可能是以非常接近光速的速度传播）。
由恒星引力塌缩形成的中子星在理论上应该是完美的圆球形状，但也有一种理论认为中子星的表面可能有几厘米高的突起，对于这样的理论冲突，通过对中子星发射的引力波进行分析也可以给出确切的解答。两颗中子星相互碰撞会有怎样的结果，恒星如何爆发，如何塌缩，爆发时内部结构会有怎样的改变？一些剧烈的天文事件的细节也将通过对它们发射出的引力波的分析而越来越清晰。“黑洞无毛理论”（No-Hair Theorem）认为，黑洞没有任何的外部结构，一个黑洞的性质完全取决于它的质量和自旋，对于黑洞的引力波探测也将是验证这个理论的好机会。
科学家们通过引力波信号的震荡幅度和频率来判断进行碰撞的黑洞的质量，而通过黑洞碰撞的实际强度和传播到地球的引力波强度，又可以判断它与地球的距离。在1998年，三位天文学家利用Ia型超新星作为“标准烛光”（Standard Candle），测量宇宙中天体的距离，得出宇宙正在加速膨胀的结论，由此发现暗能量，获得了2011年诺贝尔物理学奖。实际上，在天文学研究中利用标准烛光测距的误差仍然较大，在十几年前就有天文学家提出可以利用一类引力波看作是“标准警报”（Standard Siren）以测量宇宙中的距离，相比于“标准烛光”，“标准警报”的精度将会大大提高。物理学家洛布认为，在未来人类如果可以收集到数十个黑洞碰撞的引力波数据，一种新的天文学测距方法就将出现。
更多更加灵敏的引力波探测器可以更精确地定位发生事件的位置，让天文学家了解去哪里寻找同一个天文事件产生出的电磁波和中微子，也可以让天文学家了解发生黑洞碰撞合并时间的频率。到2016年7月重新开启引力波探测时，aLIGO的灵敏度将比目前高出30%～40%，而在未来的5年里，它的灵敏度还将不断提高，可以预计aLIGO会探测到越来越多的各种来源的引力波信号。而在LIGO公布发现引力波信号的同一周，印度政府也批准了在印度建设第三个LIGO（LIGO-India）的计划，这个新的引力波探测天文台将在2023年投入使用。同时，位于意大利的臂长3公里的VIRGO引力波探测器也会加入到地球上的引力波探测网络。不只是在地面上，日本东京大学宇宙射线研究所已经开始在神冈的地下隧道中建设神冈引力波探测器（Kamioka Gravitational Wave Detector），它也采取了类似于LIGO的两个3公里垂直长臂结构，预计将在2018年投入使用。地球上引力波探测装置将越来越多，在未来，人类将可以在地球上越来越精确地定位这些剧烈的天文事件发生的位置。
eLISA的未来
天文学研究最重大的突破往往是源于更先进的探测手段，如果能够利用更先进的设备，对不同来源的引力波进行分类探测和研究，将使人类的天文学研究向前跨越一大步。eLISA或许代表了人类引力波天文学研究的未来。eLISA是欧洲空间局（ESA）的演化激光干涉空间天线（evolved Laser Interferometer Space Antenna）的简称，与aLIGO的区别在于，eLISA的重点在于探索不同来源的引力波，以及与其相关的一些更为基础和深刻的天文学问题。
在21世纪第一个十年，ESA与NASA合作进行LISA引力波探测计划，在2011年NASA因为资金问题退出了合作，ESA在2013年将LISA计划升级为eLISA计划。在这个宏伟的太空探测计划中，三个人造卫星将在太空中形成一个三角形进行引力波探测，而这个巨大的太空探测器的悬臂将达到500万公里长，这个规模的探测器将足以探测到宇宙中最古老的黑洞发射出的引力波。这些黑洞形成于宇宙的早期，在经历了上百亿年的发展之后成为超巨型黑洞，它们目前大多居于各个星系的中心，利用自身引力成为维系住整个星系的核心，也是宇宙中最深刻、最秘密的核心。
这样一个宏伟的引力波探测计划需要做足前期准备。2015年12月3日，ESA在位于南美库鲁的法属圭亚那太空中心（Guiana Space Centre）发射了一个特殊的宇宙飞船——LISA探路者（LISA Pathfinder），这被称作是有史以来最安静的宇宙飞船，因为就连飞船本身也是进行科学实验的一部分，需要尽可能地减少外部震动。LISA探路者是eLISA计划的先行者，为预计大约在20年后发射升空的eLISA做准备。
LISA探路者的实验任务是把两个金铂合金材料制成的边长为46毫米的立方体放置在宇宙空间中悬浮，彼此相隔38厘米。在太空中，震动产生的干扰微乎其微，这个任务将以前所未有的万亿分之一米的精度探测两个只受到引力作用的合金立方体的相互距离，这是人类目前为止创造出的最为安静的实验环境，这个花费了4.3亿欧元的实验项目尚且只是为宏伟的eLISA太空引力波探测计划做前期准备。
经过6个星期的太空航行之后，LISA探路者到达了目的地，在距离地球150万公里之外的一个被称为“L1点”的虚拟位置附近运动。进入太空之后，实验最为精致的操作部分就是要把这两个金铂合金立方体释放出来，让它们悬浮在空中。首先，固定每个立方体的8个机械手指松开，每个立方体只由两个支杆固定。在2016年2月15日和16日两天里，固定立方体的支杆也先后撤离，飞行器内的两个合金金属块被分别释放，在空间中以激光联系，它们处于一种在地球上完全无法达到的稳定实验环境中。实验对这两个立方体之间的距离要求非常精确，它们的位置有可能受到外界的微小干扰而稍有变动，就连光线照射在上面都可能造成影响。在自由悬浮的状态下，地球上的科学家利用静电力继续细微地调整两个立方体的位置和朝向。直到2月22日，这两个立方体才开始完全独立漂浮，不再受到任何干扰。
2016年2月23日开始，LISA探路者正式进入实验阶段，科学家开始利用激光探测这两个立方体能够以怎样的精度保持相对的位置。在经过最终的检测之后，从2016年3月初开始，它将进行一项为时6个月的科学实验。LISA探路者的项目科学家保罗·麦克纳马拉（Paul McNamara）评价说，这是一个历史性的时刻，这是有史以来人类进行的最为精确的自由落体实验。
在这个试探性的LISA探路者实验项目中，运用的技术与计划中的eLISA项目完全相同。可以说，LISA探路者是只有一个38厘米长探测臂的引力波探测器，如果这个项目可以通过测试，那么在20年后发射的eLISA将会使用同样的技术，利用双探测臂进行引力波探测，只是处于同样实验环境中的探测臂长度将会达到500万公里。
aLIGO以及地球上其他的一些引力波探测器主要用于探测高频引力波。在理论上，宇宙中质量为太阳几倍到几十倍的黑洞或是中子星的合并会发射出在这个频率范围之内的引力波，而eLISA将主要用于探测低频率（大约为0.001赫兹）范围的引力波，只有非常巨大，行动缓慢的天体，例如星系中心的超巨型黑洞会发射出这个频率的引力波。当两个星系合并，星系中心的超巨型黑洞在合并过程中也会发射出低频引力波，人类有可能通过eLISA观测到这个过程。
当太空引力波探测计划开启之后，eLISA将会首先探测一些人类已知最近的、最明亮的致密双星系统，正是因为人类对于这类天体的位置和轨道周期都已经有所了解，它们将作为用于检验eLISA精度的标准。天文学家们估计，eLISA将可以探测到数以千计的双星系统。天文学家可以了解银河系以内的双星系统的运动状况和分布情况，从而对银河系的结构有更深刻的理解，也将可以确定其中一部分双星系统与地球的距离，质量和轨道周期，这都是制作一份银河系的详细地图所必不可少的信息，届时也将会探测到银河系中白矮星和中子星等各种致密天体发射出的引力波。
超巨型黑洞的形成过程一直是天文学家们关心的课题之一。天文学家们认为有一些超巨型黑洞可能是通过积累逐渐成长，但大多数的超巨型黑洞则是通过相互合并而成。当两个星系合并，两个星系中央的黑洞会逐渐汇集到一起形成新的星系中心，两个黑洞会首先形成一个双黑洞系统，互相围绕运转，逐渐接近，运动速度逐渐加快，最终合并，并且释放出宇宙中最响亮的引力波。进入工作状态之后，eLISA有可能每年都能探测到超巨型黑洞碰撞合并发出的引力波信号。通过分析黑洞合并发射的引力波信号，人类将可以了解到超巨型黑洞的发展与合并历史，这也是理解整个星系形成和演化历史的重要一步。有天文学研究的证据显示，星系成长与星系中心黑洞的成长具有一致性，星系中心黑洞的质量与围绕着星系中心黑洞的天体的质量和运动速度相关。天文学家们一直在研究这两者之间的关系，但是至今仍然不清晰，通过eLISA也有可能探测出从黑洞成长为超巨型黑洞的质量范围，宇宙中不同质量黑洞的分布情况，尤其是黑洞的质量上限，这对于人类建立星系演化的模型至关重要。
是什么推动了宇宙大爆炸？在黑洞中时空有怎样的性质？黑洞合并，黑洞吞噬中子星的具体过程是怎样的？两个巨型黑洞在真空中以接近光速的速度剧烈碰撞合并的过程，是否依然遵守广义相对论？研究双星系统，宇宙大爆炸可能留下的遗迹，并且进一步对广义相对论进行更加严格的测试，天文家们对于eLISA的低频率引力波探测寄予厚望，希望可以从中找到无数个天文学问题的答案，推测出宇宙整体结构和演化的历史，对物理学有更深的理解。而引力波天文学最令人着迷的，则是人类想象尚未到达的那些未知的部分，不知eLISA的探测，引力波天文学的未来将会带给人类怎样的惊喜。
一个理论的完成，一个新学科的出现，一个崭新的未来，都难免让人们心情激动并且充满想象。虽然一切才刚刚开始，但是在仰望星空时，我们多出了一个理由对未来充满信心，这或许就是引力波探测对于人类最大的贡献。
（本文写作参考了《科学》、《自然》和《物理评论快报》杂志，以及加州理工学院网站和欧洲空间局网站的报道）
文 苗千