為什么蘋果總是垂直地落到地面？為什么不從側(cè)面又或是向上，而是永遠(yuǎn)朝向地球的中心？一定有某種力量把蘋果垂直地拉向地面。這種力量甚至可以延伸到更遠(yuǎn)的距離以至于整個廣袤的宇宙空間。正是引力把宇宙中的物質(zhì)聚集在一起，孕育了璀璨的宇宙結(jié)構(gòu)乃至生命。

兩個黑洞

1687年，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中正式發(fā)表了他的引力理論：“宇宙中每個質(zhì)點都以一種力吸引著其它各個質(zhì)點。這種力與各質(zhì)點的質(zhì)量乘積成正比，與它們之間的距離平方成反比。”引力并非只存在于特定的質(zhì)點之間，而是普遍存在于宇宙中任何兩個質(zhì)點之間。因此引力是“萬有的”。那個時代的人們信奉絕對的時空觀：時間就是時間、空間就是空間，這兩者是截然不同的兩個概念。在牛頓引力理論中質(zhì)點間引力相互作用的傳遞不需要時間，而是在空間上瞬間傳遞。這種觀念主導(dǎo)了之后兩百多年人類對引力的認(rèn)知。

直到1905年，愛因斯坦提出狹義相對論才打破自牛頓以來建立的絕對時空觀。在狹義相對論中，時間和空間不再是完全獨立的概念：時間和空間是相對的。無論光源如何運動，真空中的光速對于不同的觀測者都是有限且一樣的，而且任何相互作用的傳遞都不能超過光速。這明顯與牛頓引力理論相沖突。

為了協(xié)調(diào)牛頓引力理論和狹義相對論，1915年愛因斯坦提出了廣義相對論。引力被解釋為時空幾何的彎曲，這種彎曲又直接由時空中物質(zhì)的能量動量張量決定。地球?qū)μO果的引力源于地球巨大的質(zhì)量扭曲了地球周圍的時空，蘋果在被地球扭曲的時空背景上向著地心運動。就像在一張蹦床中間放置一個鉛球，這個鉛球改變了蹦床的形狀。如果再在蹦床上放置一個網(wǎng)球，那么這個網(wǎng)球就會向著這個鉛球的中心滾落?？瓷先ゾ拖袷沁@個鉛球在吸引著這個網(wǎng)球向它靠攏。對普羅大眾而言，廣義相對論聽起來像是一個高度抽象而又與大家每天的生活完全無關(guān)的理論。事實絕非如此！比如現(xiàn)在廣泛使用的全球定位系統(tǒng)就需要計入狹義和廣義相對論的修正才得以實時地精準(zhǔn)測定地面上物體的位置。

在牛頓引力理論中引力是瞬時傳播的，因此沒有引力波。但是，在廣義相對論中物質(zhì)對時空幾何的影響不是瞬時的，引力相互作用傳遞的速度不能超過光速。這種傳播速度的限制導(dǎo)致引力波的存在。加速一個有質(zhì)量的物體時，這個物體所產(chǎn)生的時空彎曲所發(fā)生的變化會以光速像波一樣向外傳播。這就是引力波。1916年愛因斯坦寫下了廣義相對論中引力波的精確公式，從而預(yù)言存在以光速傳播的引力波。

發(fā)現(xiàn)引力波不僅為了證實引力波和愛因斯坦的引力理論，而在于它開啟了一個全新的方式去窺視宇宙的奧秘。人類從此可以擺脫完全依賴電磁信號（包括可見光和射電）來探索宇宙的單一方法。事實上，宇宙中有很多物理過程很難用電磁信號來探究。經(jīng)典意義下黑洞是黑的，它完全不發(fā)光，因此光信號并不能很好地幫助我們了解黑洞的基本物理。即便黑洞有霍金輻射存在，一個宏觀的黑洞所產(chǎn)生的霍金輻射也太過于細(xì)微而無法察覺。

引力波的產(chǎn)生

此外，在年齡小于38萬年的宇宙中充滿了帶電的粒子，這些粒子和光強(qiáng)烈的耦合在一起，以至于光都無法在宇宙中自由地傳播。因此光信號也不能穿透到宇宙的早期。但是，引力是萬有的，引力波可以在真空又或是充斥著致密物質(zhì)的區(qū)域中自由傳播，無法阻隔。因此引力波可以直接攜帶大量有關(guān)黑洞、中子星、超新星的核心，以及宇宙起源等等的信息，甚至于最終幫助我們理解極為深奧的時空的本質(zhì)。

20世紀(jì)70年代，美國科學(xué)家羅素·赫爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）在1974年觀測到一個脈沖星與另一個中子星組成的雙星系統(tǒng)，以極其緊密而快速的模式互相環(huán)繞對方，并且呈現(xiàn)了漸進(jìn)式的旋近。根據(jù)廣義相對論，此雙星系統(tǒng)會以輻射引力波的形式損失能量，從而導(dǎo)致軌道周期每年縮短76.5微秒，軌道半長軸每年減少3.5米，預(yù)計大約經(jīng)過3億年后發(fā)生合并。觀測的結(jié)果表明旋近周期的變化恰好是廣義相對論所預(yù)期的值。盡管引力波給予此雙星系統(tǒng)周期變化提供一個合理的解釋，但是并沒有直接觀測到引力波造成的時空的扭曲，因此只能認(rèn)為是為引力波的存在提供一個間接的證據(jù)。