我們的宇宙是一個剛性的宇宙。科學家發現，宇宙空間實際上相當的堅硬。很多朋友會說：「不對啊，真空中什麽都沒有，怎麽會是剛性的呢？」為什麽會出現這樣的誤解呢？就是因為大家把真空與空間這兩個概念搞混了。
可是提問的朋友也是有根據的:我們人類就生活在空間裏，為什麽感覺不到空間的堅硬度呢？可以打一個比喻，想想在水裏遊來遊去的魚，他們也沒有感受到水帶來的阻力。我們生活在這個空間裏，對周圍的一切感到習以為常，所以我們不認為空間是堅硬的。
這種超級違背主觀感受的觀點是真的嗎？今天我們要講的就是探索宇宙空間本質的故事。有關這個一波三折的發現過程，我們還得從頭說起。
時間要回到1915年，上個世紀最偉大的科學家愛因斯坦發表了廣義相對論。廣義相對論的本質是描述重力的理論。他告訴我們，大質素的天體會使周圍的時空產生彎曲。質素和能量越大，時空曲率就越大。但就是貴為愛因斯坦，他也沒能解釋重力的本質是什麽。事實上，直到今天我們也不知道重力的本質是什麽。能破解這個謎的人，就能夠成為下一個愛因斯坦。
但是愛因斯坦的偉大就在於，他深刻的發現重力與時空是一件事情的兩個面。重力是依附於時空而存在的。這話有點不好理解，咱們舉個例子就明白了。比如火箭飛出地球，火箭走的是直線嗎？不是，火箭走的是曲線。地球也是一個大天體，會將它周圍的時空拉彎。但是地球的質素又不是特別大，所以地球周圍的曲率非常小。我們看著火箭升空，以為是在走直線，但我們把距離拉長，就會發現火箭在走一條彎很小的曲線。
換一種說法，我們把地球拉彎的空間想象成一個細長的敞口杯，火箭正在沿著杯子的邊緣向外爬。當火箭的速度大於第二宇宙速度，也就是每秒11.2公裏的時候，它就能夠克服地球的重力。可見火箭飛出地球是表象，真正的原因是火箭爬出了地球周圍被拉彎的時空。
這時候火箭就無拘無束了嗎？太天真了。這時候火箭處在了太陽拉彎的時空裏，火箭會沿著太陽空間曲率形成的杯子邊緣向外爬。
如果火箭的速度能夠達到第四宇宙速度，也就是超過每秒42.1公裏的時候，它就會飛出太陽系。是不是很奇妙？所以說重力是依附於時空而存在的，重力是時空的一個內容。這就是愛因斯坦的偉大發現。在此基礎上，愛因斯坦預言宇宙中應該存在著重力波。
什麽是重力波？重力波是質素和能量在時空中產生的擾動，就像把石頭扔到池塘裏，池塘的表面會產生漣漪一樣。這種時空的漣漪就是重力波。這是一個讓人匪夷所思的猜測。愛因斯坦的預言是正確的嗎？重力波真的存在嗎？
時間來到20世紀60年代，美國馬里蘭大學物理學家約瑟夫韋伯立誌要在宇宙中尋找重力波。他創造了人類最早的重力波探測工具，以他的名字命名，稱為韋伯棒。韋伯棒的主體是一個鋁制的實心圓柱，長兩米，直徑一米，用細絲懸掛在真空容器裏面。
根據愛因斯坦廣義相對論計算，重力波在移動時會拉伸和擠壓時間與空間。所以當韋伯棒接收到重力波時，會隨著一浪一浪湧過的重力波產生一種特定的共振頻率。透過安裝在圓柱周圍的壓電傳感器檢測出來，最後再透過電腦處理得出數據。這是一個天才的設想。
1969年，韋伯對外宣布，他發現了來自銀河系中心的重力波訊號，立刻引起了科學界的轟動。世界各國紛紛使用韋伯的方法做實驗，他們做了很多的韋伯棒。可惜的是，沒有一處實驗室得到過重力波的證據。但是韋伯堅信自己的想法是正確的。
1972年，他又說服了美國航空航天局NASA，透過阿波羅17號任務，在月球表面放置了重力儀。可是這個重力儀同樣沒有能夠接收到重力波。原因是什麽呢？還是精度不夠，他檢測到的噪音要遠遠的大於重力波，所以韋伯棒註定會失敗。
雖然韋伯失敗了，但他是當之無愧的第一個尋找重力波的人，是科學界公認的重力波探索的創始人。重力波為什麽這麽難找？主要是因為它實在是太弱了。我們知道，宇宙中存在著四種力：重力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。這裏面最弱的就是重力。前兩種核力咱們就不談了，因為強弱差距太遠了，差出好幾個數量級。就是排名第三的電磁力都完虐重力。
做一個小實驗，梳頭時產生的靜電就是電磁力。梳子可以輕易地將小紙片給吸起來，分分鐘就打敗了重力。就是因為重力弱，所以重力波非常難以測量到。但是很快，事情發生了轉機，在宇宙深處，居然若隱若現地傳來了重力波的訊息。
時間來到1974年，普林斯頓大學兩位物理學家羅素·赫爾斯和約瑟夫·泰勒，在天鷹座天域裏，發現了一個神奇的雙星系統。這兩顆都是擁有強磁場的中子星，質素也非常接近，都是1.4個太陽的質素。透過深入研究，兩位科學家發現，兩顆中子星的公轉周期在逐漸變小。這說明他們之間的重力產生了變化，有某種能量的損失。
透過廣義相對論的公式計算，他們認為，這兩顆星的能量，以重力波的形式散發出來了。他們的計算完全符合觀測結果，兩顆星的軌域間距每年縮短3.5米。大約在3億年後，他們會合並產生一次驚天動地的爆炸。
這是一個極為重要的發現，這個發現間接地證明了愛因斯坦的預言是正確的：大質素的物體運動，會引起時空中的波動，產生重力波。而重力波是能量與資訊的載體。赫爾斯與泰勒也因為這個重大的發現，獲得了諾貝爾物理學獎。
雖然雙星系統間接證明存在著重力波，但是人類仍然沒有真正觀測到它。這項科學研究的時機尚未成熟，還要等到很多年後。
時間來到1990年，為了發現重力波，美國國家科學基金會投入了2.72億美元，打算建造一個跨時代的器材——LIGO，中文叫激光幹涉重力波天文台。這是有史以來，國家基金贊助的最昂貴的科研專案。後來參與這個專案的人都說，這是一個瘋狂的想法。為什麽呢？因為建成LIGO，要突破一大堆工程技術上的難題，比如說真空技術、激光技術、材料科學技術、地震隔離技術，還有反饋系統的精度，要向上提高幾個數量級，甚至還要用到沒有發明出來的材料，遠高於當時的科技水平。但是為了收集重力資訊，進一步了解宇宙的秘密，盡管困難重重，重力波天文台還是上馬了。
一開始，專案的負責人是幾位頂尖的物理學家，包括雷納·韋斯與基普·索恩。但是到了1994年，LIGO正式破土動工的時候，他們又請來了一位重量級的人物——加州理工學院的物理學家巴瑞·巴瑞什。巴瑞什既是一位物理學家，又是一位工程管理者，同時還是一流的行政管理人員。1997年，巴瑞什被正式任命為天文台台長，LIGO進入到了突飛猛進的建設時期。
LIGO的原理是這樣的：重力波拉伸和壓縮空間時，似乎地球都被拉長了，但這只是動畫效果，這是為了方便觀眾理解。其實重力波的振幅非常微小，他們拉伸和壓縮空間的距離小得驚人，僅為10的-18次方米，相當於質子直徑的1/1000。這實在是太微小了，這是人類歷史上測量過的最微小的距離。
這麽細微的變化怎樣才能觀測到呢？首先，LIGO要在兩個方向上各建一條探測臂。因為重力波太小，所以幹涉儀需要建成公裏級別的，最終臂長設計為4公裏。激光束透過反射鏡形成兩條路徑，光束沿著4公裏長的探測壁傳播，並反射回來，在中央鏡片中重新組合。新的光束被引導到探測儀上。當重力波穿過天文台的時候，幹涉儀的兩臂被拉伸和壓縮，這就改變了光在兩臂中傳播的時間，激光的波形就會產生微弱的變化。
說起來容易做起來難，這種前所未有的挑戰，需要前所未有的技術支持。LIGO團隊發明了激光穩定技術，在激光強度、相位、頻率的穩定性上，都實作了重大突破。為了制造最純凈的激光，團隊打造了有史以來最光滑的鏡片，每一片都重達40公斤，把鏡片懸掛在只有兩根頭發絲粗的矽膠線上，把它們從大地環境中隔離出來。
但即便如此，區分環境噪音仍然是個大問題，比如汽車、閃電、小型地震都會對探測產生影響。怎麽辦？LIGO又開發了復雜的數據分析演算法和雜訊消除技術。雖然上馬了這麽多新技術，還是要做個雙保險。分別在華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利雲斯頓，建成了兩組天文台，相距3,000公裏。當兩組器材在同一時間探測出相同的波形時，就有可能是捕捉到重力波了。這是人類歷史上最精密的器材之一。
LIGO於1999年建造完成，2002年開始正式探測。這個時候大家的心氣都非常高，希望可以盡早地觀測到重力波。誰也沒想到，這一觀測就是8年。八年裏3,000個日日夜夜，LIGO卻什麽都沒有觀測到。有沒有可能，廣義相對論中對重力波的預言是錯誤的呢？或者重力波根本就觀測不到呢？
在這個重要的時刻，巴瑞·巴瑞什又起到了關鍵的作用。他反復與美國科學基金會溝通，讓所有的評審委員會都取得了一個共識：雖然沒有探測到重力波，但是在8年的觀測中，科學家們獲得了很多寶貴的經驗。未來一定能夠探測到重力波，但是有個條件：需要對現有的器材進行大規模的升級換代。這是一場豪賭，要不然現在就停止，不再花基金會的錢了；要不然繼續投入，繼續幹下去。
2010年，LIGO做出了重大決定：關閉天文台。停止專案了嗎？沒有，他們選擇了第二條路，進行升級改造。這一改造又用去了5年的時間。從萊納·韋斯在1972年第一次想到用激光探測重力波，到LIGO最終改造完成，時間已經過去了43年。升級後的LIGO，靈敏度提升到過去的10倍以上，稱為先進版LIGO。到此時，LIGO專案的總成本已經高達6.2億美元，未來還將繼續投入。
2015年9月14日淩晨4點，新版LIGO測試完畢。時間來到2015年9月14日淩晨4:50，就在新版LIGO測試完成50分鐘後，一個巨大的清晰的訊號，在7微秒的差距下，先後經過了兩個重力波天文台。人們簡直不敢相信，上線才50分鐘啊，這真的是重力波嗎？在科學家反復檢驗下，最終確認，這個探測結果滿足了5Sigma的要求，這是科學發現的黃金標準。意味著探測數據只有350萬分之一的概率是由幹擾訊號造成的，這個概率也太小了，所以板上釘釘，人類真的發現了重力波。
這個重力波是由什麽事件發出的呢？因為LIGO可以將重力源確定在一個環形的區域內，地面的射電望遠鏡、光學望遠鏡、紅外望遠鏡都對準了重力波的源頭。在眾多天文學家和物理學家的幫助下，透過多種科學手段，最終確認了重力波的成因。
在13億光年外有兩個黑洞，一個質素為36個太陽，一個質素為29個太陽。兩個黑洞合並，形成了一個質素為62個太陽的大黑洞，並從中釋放出3個太陽的質素。這是一次驚天動地的相撞，輻射峰值功率為3.6 X 10^49W，是可觀測宇宙所有可見光源功率總和的10倍還多。
重力波攜帶著巨大的能量與資訊，在宇宙中行駛了13億年，最終被地球上的重力波天文台捕獲。這是多麽神奇的一件事啊！
萊納·韋斯在采訪中興奮地說：「如果愛因斯坦能夠知道實驗結果，我真想看看他的臉。」 正是透過這次觀測，科學家確認，重力波的傳播速度約為每秒30萬公裏，與光速一模一樣。我們以後不能再說光速是宇宙中的最高速度了，這麽說就不準確了。應該說光速是最高速度之一，它與重力波同為宇宙中的最高速度。這是一個細思極恐的問題：光速與重力波的速度為什麽是一樣的呢？這兩種性質不同的傳播速度為什麽都有上限呢？這些仍然是未解之謎。
重力波的發現是科學界的一座豐碑。從愛因斯坦預言重力波到人類發現重力波，整整用了100年的時光。
探測重力波值不值得諾貝爾獎呢？這是無可爭議的諾獎題材。2017年，因為在觀測重力波中做出的重大貢獻，雷納·韋斯、巴瑞·巴瑞什、基普·索恩三位科學家獲得了諾貝爾物理學獎。而巴瑞什還因此獲得了另一個尊貴的榮譽，他因為建立了LIGO科學合作機制，在世界各地邀請了1000多位科學家參與了這個專案，成為當之無愧的重力波領域的科學牽頭人。在【站在巨人肩膀上】一書中，巴瑞什被評為當代的科學巨人。巴瑞什教授曾在一次會議上說宇宙空間是非常堅硬的。堅硬的宇宙空間到底是什麽意思呢？
根據牛頓的萬有重力公式，重力大小與距離的平方成反比。重力波與光一樣，隨著距離變遠，能量衰減的極快。這是為什麽呢？就是因為宇宙空間是非常堅硬的，它可以對重力波傳播有很好的響應，同時又非常難以被拉伸和壓縮。大家想一想，如果空間非常柔軟，就會產生兩種可能：第一，重力波根本傳播不了；還有另一種極端的情況，重力波把地球向上拉長個10厘米，那會有什麽樣的結果呢？我們每個人會不會因為心臟爆裂而死亡呢？但是根據人擇原理，宇宙必須是這樣的，空間必須是堅硬的，要不然就不會產生生命，不會產生我們。宇宙的秘密遠遠超出我們的想象。當然了，有關宇宙空間是堅硬的說法，到目前為止只有巴瑞什教授這麽說過。就姑且把它當做是一個神奇的腦洞吧。
前面已經講過了，宇宙一共有四種力。強相互作用力可以透過大型的高能粒子對撞機進行觀測。弱相互作用力可以透過微中子探測器進行觀測。至於電磁力，手段就更豐富了，在全頻段電磁頻道上都能夠進行觀測。只有重力，在很長一段時間裏，人們不知道怎樣去觀測它。重力波天文台的發明實作了人類觀測重力的夢想，開啟了人類研究重力的新時代。
重力波與電磁波一樣，同樣是有頻率的。重力波的頻率以赫茲為單位，由中子星合並產生的重力波其頻率可能在幾百赫茲到幾千赫茲之間。由黑洞合並產生的重力波頻率更低，通常在幾十赫茲到幾百赫茲之間。由宇宙膨脹引起的重力波頻率非常低，可能在亞赫茲以下。
隨著技術不斷發展，重力波觀測能力會不斷提高，在未來的某一天，人類終將能夠破解重力之謎。
