导语：1919年5月29日，一次跨越半个地球的日食观测发现，引力可以使光线弯曲，这一惊人的发现证实了爱因斯坦的广义相对论，从根本上改变了我们对空间和时间的认识。一个世纪后，另一群科学家使用事件视界望远镜记录下了黑洞事件视界附近的星光弯曲效应，让人们第一次看到了黑洞的真实模样。这是在最极端的情形下对爱因斯坦的理论进行检验，也标志着人类开始进入一个探索宇宙的新时代……

  本文摘选自《引力世纪——从爱因斯坦的日食到黑洞照片》（第七章 倾听黑洞的声音），罗恩·考恩 著，王晓涛 译。本书入选北京市科协“2021年优秀科普读物推荐书目”。

  对爱因斯坦广义相对论的验证中最令人震惊的一次，来自对黑洞的观测——实际上是对两个黑洞并合过程的观测。2015年9月中旬，一个飞驰而来的信号到达地球，宣布了自己的存在。

  当麻省理工学院的物理学家休斯（Scott Hughes）在同事的手机上第一次看到这个信号的图像时，他立刻感受到了一股强烈的情感冲动，这种感觉他之前只有过两次—— 一次是他在初次看见自己刚出生的女儿的脸的时候，另一次则是他见临终的父亲最后一面的时候。他的同事在一旁不停地说些什么，可休斯什么都没听见。他所想的只有手机上的图像。图像显示了一些摆动的线，先是振幅变大，频率增加，之后振幅迅速减小——休斯早在20多年前学术生涯刚开始的时候，就已经在脑海中幻想这样一幅画面了。

  1995年，休斯还是加州理工学院的一名研究生，研究黑洞这样一种连光都无法从中逃脱的引力阱对周边环境的影响。休斯知道，就像保龄球可以把橡胶板压得下垂一样，静止的黑洞能够在时空上产生凹痕。但如果重物在震动或加速，比如两个黑洞即将撞上彼此的时候，时空会发生怎样的变化？

  当保龄球在橡胶板上弹跳时，会使其发生抖动。同样，一大块物质在晃动时也会在时空结构中产生波动。这样的波动，也就是引力波，会像池塘中的涟漪一样在宇宙中传播开去。

  当波经过两个自由悬挂成特定图案的物体时，会使得二者间的距离发生扭曲。在波的传播方向上，距离不会被影响。但在与之垂直的方向上，波会在一个维度拉长距离，而在另一个维度缩短距离。半个周期之后，波会反向扭曲空间，在之前拉长距离的维度上缩短距离，并在之前缩短距离的维度上拉长距离。

  在这之前引力波从未被发现过（参见“深入讨论：引力波的失而复得”），但休斯还是被一台即将问世的、更加灵敏的新型引力波探测器深深吸引住了。他和同事通过计算得出结论，如果正在并合的每个黑洞所拥有的质量是太阳质量的20—60倍，那么一台叫作LIGO（激光干涉引力波天文台）的新型探测器将最有可能探测到引力波。

  就在休斯和同事进行计算工作的时候，研究人员却发现自己缺乏计算工具来确定引力波究竟是什么样子——包括形状、持续时间以及频率的变化。差不多10年之后，当其他研究人员在电脑上开发出求解爱因斯坦引力方程的技术的时候，研究才终于有了突破性的进展。

  这些电脑计算结果和休斯现在在同事的手机上看到的LIGO的记录图像相比，可以说是惊人地一致。毫无疑问，结果是准确的。之后的详细分析表明，这两个正在并合的黑洞的质量正好在休斯和同事约20年前计算得到的范围的正中间。

  经过50多年对时空涟漪的苦苦追寻后，第一个引力波终于被发现。正如休斯预期的那样，这个引力波由两个恒星级的黑洞碰撞产生。LIGO的两个相同管道臂能够记录幅度小于质子直径的1/10 000的长度变化。LIGO由此发现了引力波的踪迹（参见“深入讨论：LIGO以及其他探测器”）。

  尽管LIGO被称作是天文台，但它并没有望远镜、盘状的反射镜或其他收集光线的设备来对天空中的目标成像。我们肉眼所看到的光其实只是电磁波谱中的一小部分。电磁波谱中包括γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外辐射以及射电波。所有类型的光都可以产生宇宙的精细图像，因为它们的波长尺度通常比发出辐射的行星、恒星或星系要小得多。并且由于光与物质之间有着强烈的相互作用，所以可以用透镜将辐射的光线聚焦于一点。

  相反，引力波由重物在大尺度上的运动所产生，并且其波长的尺度一般要比重物本身大。很长的波长意味着引力波无法被用来给某个天体成像或是展现其形状。而且，由于引力波与物质几乎不发生相互作用，它们也很难像光波那样可以聚焦到一点。不过，引力波虽然无法给宇宙成像，但却可以提供声音。就像收集光线的望远镜将电磁辐射集中起来以观察宇宙一样，LIGO以及其他引力波探测器充当着人类的监听站，从无意义的噪音中搜寻出时空的波动。