我们的宇宙是一个刚性的宇宙。科学家发现，宇宙空间实际上相当的坚硬。很多朋友会说：“不对啊，真空中什么都没有，怎么会是刚性的呢？”为什么会出现这样的误解呢？就是因为大家把真空与空间这两个概念搞混了。

可是提问的朋友也是有根据的:我们人类就生活在空间里，为什么感觉不到空间的坚硬度呢？可以打一个比喻，想想在水里游来游去的鱼，他们也没有感受到水带来的阻力。我们生活在这个空间里，对周围的一切感到习以为常，所以我们不认为空间是坚硬的。

这种超级违背主观感受的观点是真的吗？今天我们要讲的就是探索宇宙空间本质的故事。有关这个一波三折的发现过程，我们还得从头说起。

时间要回到1915年，上个世纪最伟大的科学家爱因斯坦发表了广义相对论。广义相对论的本质是描述引力的理论。他告诉我们，大质量的天体会使周围的时空产生弯曲。质量和能量越大，时空曲率就越大。但就是贵为爱因斯坦，他也没能解释引力的本质是什么。事实上，直到今天我们也不知道引力的本质是什么。能破解这个谜的人，就能够成为下一个爱因斯坦。

但是爱因斯坦的伟大就在于，他深刻的发现引力与时空是一件事情的两个面。引力是依附于时空而存在的。这话有点不好理解，咱们举个例子就明白了。比如火箭飞出地球，火箭走的是直线吗？不是，火箭走的是曲线。地球也是一个大天体，会将它周围的时空拉弯。但是地球的质量又不是特别大，所以地球周围的曲率非常小。我们看着火箭升空，以为是在走直线，但我们把距离拉长，就会发现火箭在走一条弯很小的曲线。

换一种说法，我们把地球拉弯的空间想象成一个细长的敞口杯，火箭正在沿着杯子的边缘向外爬。当火箭的速度大于第二宇宙速度，也就是每秒11.2公里的时候，它就能够克服地球的引力。可见火箭飞出地球是表象，真正的原因是火箭爬出了地球周围被拉弯的时空。

这时候火箭就无拘无束了吗？太天真了。这时候火箭处在了太阳拉弯的时空里，火箭会沿着太阳空间曲率形成的杯子边缘向外爬。

如果火箭的速度能够达到第四宇宙速度，也就是超过每秒42.1公里的时候，它就会飞出太阳系。是不是很奇妙？所以说引力是依附于时空而存在的，引力是时空的一个属性。这就是爱因斯坦的伟大发现。在此基础上，爱因斯坦预言宇宙中应该存在着引力波。

什么是引力波？引力波是质量和能量在时空中产生的扰动，就像把石头扔到池塘里，池塘的表面会产生涟漪一样。这种时空的涟漪就是引力波。这是一个让人匪夷所思的猜测。爱因斯坦的预言是正确的吗？引力波真的存在吗？

时间来到20世纪60年代，美国马里兰大学物理学家约瑟夫韦伯立志要在宇宙中寻找引力波。他创造了人类最早的引力波探测工具，以他的名字命名，称为韦伯棒。韦伯棒的主体是一个铝制的实心圆柱，长两米，直径一米，用细丝悬挂在真空容器里面。

根据爱因斯坦广义相对论计算，引力波在移动时会拉伸和挤压时间与空间。所以当韦伯棒接收到引力波时，会随着一浪一浪涌过的引力波产生一种特定的共振频率。通过安装在圆柱周围的压电传感器检测出来，最后再通过计算机处理得出数据。这是一个天才的设想。

1969年，韦伯对外宣布，他发现了来自银河系中心的引力波信号，立刻引起了科学界的轰动。世界各国纷纷使用韦伯的方法做实验，他们做了很多的韦伯棒。可惜的是，没有一处实验室得到过引力波的证据。但是韦伯坚信自己的想法是正确的。

1972年，他又说服了美国航空航天局NASA，通过阿波罗17号任务，在月球表面放置了引力仪。可是这个引力仪同样没有能够接收到引力波。原因是什么呢？还是精度不够，他检测到的噪音要远远的大于引力波，所以韦伯棒注定会失败。

虽然韦伯失败了，但他是当之无愧的第一个寻找引力波的人，是科学界公认的引力波探索的创始人。引力波为什么这么难找？主要是因为它实在是太弱了。我们知道，宇宙中存在着四种力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。这里面最弱的就是引力。前两种核力咱们就不谈了，因为强弱差距太远了，差出好几个数量级。就是排名第三的电磁力都完虐引力。

做一个小实验，梳头时产生的静电就是电磁力。梳子可以轻易地将小纸片给吸起来，分分钟就打败了引力。就是因为引力弱，所以引力波非常难以测量到。但是很快，事情发生了转机，在宇宙深处，居然若隐若现地传来了引力波的讯息。

时间来到1974年，普林斯顿大学两位物理学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒，在天鹰座天域里，发现了一个神奇的双星系统。这两颗都是拥有强磁场的中子星，质量也非常接近，都是1.4个太阳的质量。通过深入研究，两位科学家发现，两颗中子星的公转周期在逐渐变小。这说明他们之间的引力产生了变化，有某种能量的损失。

通过广义相对论的公式计算，他们认为，这两颗星的能量，以引力波的形式散发出来了。他们的计算完全符合观测结果，两颗星的轨道间距每年缩短3.5米。大约在3亿年后，他们会合并产生一次惊天动地的爆炸。

这是一个极为重要的发现，这个发现间接地证明了爱因斯坦的预言是正确的：大质量的物体运动，会引起时空中的波动，产生引力波。而引力波是能量与信息的载体。赫尔斯与泰勒也因为这个重大的发现，获得了诺贝尔物理学奖。

虽然双星系统间接证明存在着引力波，但是人类仍然没有真正观测到它。这项科学研究的时机尚未成熟，还要等到很多年后。

时间来到1990年，为了发现引力波，美国国家科学基金会投入了2.72亿美元，打算建造一个跨时代的设备——LIGO，中文叫激光干涉引力波天文台。这是有史以来，国家基金赞助的最昂贵的科研项目。后来参与这个项目的人都说，这是一个疯狂的想法。为什么呢？因为建成LIGO，要突破一大堆工程技术上的难题，比如说真空技术、激光技术、材料科学技术、地震隔离技术，还有反馈系统的精度，要向上提高几个数量级，甚至还要用到没有发明出来的材料，远高于当时的科技水平。但是为了收集引力信息，进一步了解宇宙的秘密，尽管困难重重，引力波天文台还是上马了。

一开始，项目的负责人是几位顶尖的物理学家，包括雷纳·韦斯与基普·索恩。但是到了1994年，LIGO正式破土动工的时候，他们又请来了一位重量级的人物——加州理工学院的物理学家巴里·巴里什。巴里什既是一位物理学家，又是一位工程管理者，同时还是一流的行政管理人员。1997年，巴里什被正式任命为天文台台长，LIGO进入到了突飞猛进的建设时期。

LIGO的原理是这样的：引力波拉伸和压缩空间时，似乎地球都被拉长了，但这只是动画效果，这是为了方便观众理解。其实引力波的振幅非常微小，他们拉伸和压缩空间的距离小得惊人，仅为10的-18次方米，相当于质子直径的1/1000。这实在是太微小了，这是人类历史上测量过的最微小的距离。

这么细微的变化怎样才能观测到呢？首先，LIGO要在两个方向上各建一条探测臂。因为引力波太小，所以干涉仪需要建成公里级别的，最终臂长设计为4公里。激光束通过反射镜形成两条路径，光束沿着4公里长的探测壁传播，并反射回来，在中央镜片中重新组合。新的光束被引导到探测仪上。当引力波穿过天文台的时候，干涉仪的两臂被拉伸和压缩，这就改变了光在两臂中传播的时间，激光的波形就会产生微弱的变化。

说起来容易做起来难，这种前所未有的挑战，需要前所未有的技术支持。LIGO团队发明了激光稳定技术，在激光强度、相位、频率的稳定性上，都实现了重大突破。为了制造最纯净的激光，团队打造了有史以来最光滑的镜片，每一片都重达40公斤，把镜片悬挂在只有两根头发丝粗的硅胶线上，把它们从大地环境中隔离出来。

但即便如此，区分环境噪音仍然是个大问题，比如汽车、闪电、小型地震都会对探测产生影响。怎么办？LIGO又开发了复杂的数据分析算法和噪声消除技术。虽然上马了这么多新技术，还是要做个双保险。分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿，建成了两组天文台，相距3,000公里。当两组设备在同一时间探测出相同的波形时，就有可能是捕捉到引力波了。这是人类历史上最精密的设备之一。

LIGO于1999年建造完成，2002年开始正式探测。这个时候大家的心气都非常高，希望可以尽早地观测到引力波。谁也没想到，这一观测就是8年。八年里3,000个日日夜夜，LIGO却什么都没有观测到。有没有可能，广义相对论中对引力波的预言是错误的呢？或者引力波根本就观测不到呢？

在这个重要的时刻，巴里·巴里什又起到了关键的作用。他反复与美国科学基金会沟通，让所有的评审委员会都取得了一个共识：虽然没有探测到引力波，但是在8年的观测中，科学家们获得了很多宝贵的经验。未来一定能够探测到引力波，但是有个条件：需要对现有的设备进行大规模的升级换代。这是一场豪赌，要不然现在就停止，不再花基金会的钱了；要不然继续投入，继续干下去。

2010年，LIGO做出了重大决定：关闭天文台。停止项目了吗？没有，他们选择了第二条路，进行升级改造。这一改造又用去了5年的时间。从莱纳·韦斯在1972年第一次想到用激光探测引力波，到LIGO最终改造完成，时间已经过去了43年。升级后的LIGO，灵敏度提升到过去的10倍以上，称为先进版LIGO。到此时，LIGO项目的总成本已经高达6.2亿美元，未来还将继续投入。

2015年9月14日凌晨4点，新版LIGO测试完毕。时间来到2015年9月14日凌晨4:50，就在新版LIGO测试完成50分钟后，一个巨大的清晰的信号，在7微秒的差距下，先后经过了两个引力波天文台。人们简直不敢相信，上线才50分钟啊，这真的是引力波吗？在科学家反复检验下，最终确认，这个探测结果满足了5Sigma的要求，这是科学发现的黄金标准。意味着探测数据只有350万分之一的概率是由干扰信号造成的，这个概率也太小了，所以板上钉钉，人类真的发现了引力波。

这个引力波是由什么事件发出的呢？因为LIGO可以将引力源确定在一个环形的区域内，地面的射电望远镜、光学望远镜、红外望远镜都对准了引力波的源头。在众多天文学家和物理学家的帮助下，通过多种科学手段，最终确认了引力波的成因。

在13亿光年外有两个黑洞，一个质量为36个太阳，一个质量为29个太阳。两个黑洞合并，形成了一个质量为62个太阳的大黑洞，并从中释放出3个太阳的质量。这是一次惊天动地的相撞，辐射峰值功率为3.6 X 10^49W，是可观测宇宙所有可见光源功率总和的10倍还多。

引力波携带着巨大的能量与信息，在宇宙中行驶了13亿年，最终被地球上的引力波天文台捕获。这是多么神奇的一件事啊！

莱纳·韦斯在采访中兴奋地说：“如果爱因斯坦能够知道实验结果，我真想看看他的脸。” 正是通过这次观测，科学家确认，引力波的传播速度约为每秒30万公里，与光速一模一样。我们以后不能再说光速是宇宙中的最高速度了，这么说就不准确了。应该说光速是最高速度之一，它与引力波同为宇宙中的最高速度。这是一个细思极恐的问题：光速与引力波的速度为什么是一样的呢？这两种性质不同的传播速度为什么都有上限呢？这些仍然是未解之谜。

引力波的发现是科学界的一座丰碑。从爱因斯坦预言引力波到人类发现引力波，整整用了100年的时光。

探测引力波值不值得诺贝尔奖呢？这是无可争议的诺奖题材。2017年，因为在观测引力波中做出的重大贡献，雷纳·韦斯、巴里·巴里什、基普·索恩三位科学家获得了诺贝尔物理学奖。而巴里什还因此获得了另一个尊贵的荣誉，他因为创建了LIGO科学合作机制，在世界各地邀请了1000多位科学家参与了这个项目，成为当之无愧的引力波领域的科学牵头人。在《站在巨人肩膀上》一书中，巴里什被评为当代的科学巨人。巴里什教授曾在一次会议上说宇宙空间是非常坚硬的。坚硬的宇宙空间到底是什么意思呢？

根据牛顿的万有引力公式，引力大小与距离的平方成反比。引力波与光一样，随着距离变远，能量衰减的极快。这是为什么呢？就是因为宇宙空间是非常坚硬的，它可以对引力波传播有很好的响应，同时又非常难以被拉伸和压缩。大家想一想，如果空间非常柔软，就会产生两种可能：第一，引力波根本传播不了；还有另一种极端的情况，引力波把地球向上拉长个10厘米，那会有什么样的结果呢？我们每个人会不会因为心脏爆裂而死亡呢？但是根据人择原理，宇宙必须是这样的，空间必须是坚硬的，要不然就不会产生生命，不会产生我们。宇宙的秘密远远超出我们的想象。当然了，有关宇宙空间是坚硬的说法，到目前为止只有巴里什教授这么说过。就姑且把它当做是一个神奇的脑洞吧。

前面已经讲过了，宇宙一共有四种力。强相互作用力可以通过大型的高能粒子对撞机进行观测。弱相互作用力可以通过中微子探测器进行观测。至于电磁力，手段就更丰富了，在全频段电磁频道上都能够进行观测。只有引力，在很长一段时间里，人们不知道怎样去观测它。引力波天文台的发明实现了人类观测引力的梦想，开启了人类研究引力的新时代。

引力波与电磁波一样，同样是有频率的。引力波的频率以赫兹为单位，由中子星合并产生的引力波其频率可能在几百赫兹到几千赫兹之间。由黑洞合并产生的引力波频率更低，通常在几十赫兹到几百赫兹之间。由宇宙膨胀引起的引力波频率非常低，可能在亚赫兹以下。

随着技术不断发展，引力波观测能力会不断提高，在未来的某一天，人类终将能够破解引力之谜。