科学家对引力波的探测，已被视为本世纪的重大科学突破。爱因斯坦在近百年前所预言的这些时空结构中极为细小的涟漪，经过长达一个世纪的求索终于被捕获。这些探索给了科学家们对双中子星合并等灾难性事件以新的理解，也为爱因斯坦广义相对论提供了新的证据。《时空的秘密》记述了科学家们为完成爱因斯坦拼图而进行的国际间的通力合作，同时表明，引力波天文学即将开启人们对宇宙的新探索时代，我们对于宇宙的结构及起源的认识将得到前所未有的拓展。
对于引力波的追寻是一场穿越漫长岁月的冒险，科学家们遭遇了许许多多来自私人方面及专业上的苦苦挣扎与奋力拼搏——失败的风险始终萦绕在他们的头顶。霍弗特·席林将带领读者回到故事展开的一个个重要站点——日本的KAGAR探测器，智利的Atacama宇宙望远镜、南极的BICEP探测器，以及美国的LIGO天文台。这些地方发生的一切，既是人类理性与智慧的结晶，也闪现着人性所特有的伟大与渺小。这本书指出，要捕获到如此遥远的双黑洞合并所产生的引力波信号，探测的仪器必须足够精细，其设计和建成绝非易事。这项看上去难以解决的难题究竟是如何被科学家攻破的，席林对此做了介绍，同时向我们展示了LIGO探测器令人惊叹的精妙设计。
在这场关于广义相对论、中子星、黑洞与宇宙大爆炸的探索之旅中，有席林以平易且有趣的语言作为导游，即使是毫无科学背景的读者也能够充分领略科学令人着迷的妙处。
想一想厨房烤箱里的葡萄干蛋糕吧，你就能理解我们身处的这个膨胀中的宇宙。

序言
前言
第1章 关于时空的开胃菜
第2章 “相对”而言
第3章 检验爱因斯坦
第4章 波之论与棒之争
第5章 恒星的生命
第6章 精密的时钟
第7章 激光探索
第8章 通向之路
第9章 创世故事
第10章 雪地探索
第11章 捉住你了！
第12章 黑魔法
第13章 纳米级科学
第14章 后续问题
第15章 太空入侵者
第16章 冲浪引力波天文学
致谢
注释及延伸阅读
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爱因斯坦在科学的殿堂中地位独特，且当之无
愧。他对时间和空间的洞见彻底改变了我们对引力
和宇宙的理解。每个人都能认出海报和T恤上那位和
善而又蓬头垢面的智者。不过，爱因斯坦最出色的
工作是在他年轻的时候完成的。年仅30岁时，他便
享有国际声誉。1919年5月29日，发生了一场日食。
由天文学家阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）带
领的团队观测了日食期间太阳附近的恒星。观测数
据表明，这些恒星偏离了它们原有的位置，其发出
的光线在太阳引力场的作用下发生弯曲。这验证了
爱因斯坦的重要预言。当该结果被汇报给伦敦的英
国皇家学会时，全世界的媒体都对这一新闻进行了
报道。“天空中所有的光都是弯曲的，爱因斯坦理
论取得巨大成功”成为《纽约时报》最醒目的头条
。
爱因斯坦于1915年提出的广义相对论，是纯粹
理性思考和深彻领悟的结果。其影响对地球上的我
们来说是很微小的。现代导航系统中对时钟的轻微
调节会用到爱因斯坦的理论，而对于发射和追踪空
间探测器来说，牛顿的理论就够用了。
相比之下，爱因斯坦将空间和时间联结起来的
想法——“空间告诉物质如何运动，物质告诉空间
如何弯曲”——对很多宇宙学现象都至关重要。但
我们很难检验这个理论，它的影响距离我们太遥远
了。因此，在提出后将近半个世纪的时间里，广义
相对论一直被主流物理学拒之门外。不过，20世纪
60年代以来，有关开创宇宙膨胀学说的“大爆炸理
论”以及黑洞的证据越来越多，而这二者都是爱因
斯坦的关键性预言。
2016年2月，在著名的英国皇家学会会议对这次
日食考察的报道约100年后，另一份声明进一步证实
了爱因斯坦的理论，这一次是在美国华盛顿特区的
新闻俱乐部。LIGO（激光干涉引力波天文台，Laser
Iriterferometer Gravitatiorlal-Wave
Observatory）探测到引力波的存在，这正是霍弗特
·席林这本书的主题。他有一个绝妙的故事要讲，
其跨度超越一个世纪。
爱因斯坦大胆地设想引力源自空间的弯曲。当
受到引力作用的物体改变自己的形状时，它们在空
间中激起了阵阵涟漪。当这些涟漪经过地球时，我
们的局部空间随之发生“抖动”：被拉伸和挤压。
但是这种效应非常微弱，因为引力是一个弱作用力
。日常物品间的引力拉伸程度极其微小。如果你挥
动两个哑铃，你也会发射出引力波，但仅具有无穷
小的能量。即使是行星围绕恒星的运动，或者是一
对恒星的相互绕转，它们所发射出的引力波都达不
到可探测水平。
天文学家认为，LIGO可以探测到的源一定比普
通恒星和行星具有更强大的引力。最好的选择就是
涉及黑洞的事件。我们知道黑洞的存在已经将近50
年了，大部分黑洞都是比太阳重20倍以上的恒星的
残骸。这些恒星明亮地燃烧，在它们爆炸的死亡剧
痛中（这是由超新星发出的信号），它们的内部坍
缩成一个黑洞。组成这颗恒星的物质与宇宙的其他
部分隔绝，在空间中留下一个引力的印记。
两个黑洞在形成一个双黑洞系统的过程中，它
们将会逐渐地旋进在一起。随着它们不断地靠近，
周围的空间越发扭曲，直到它们合并成一个自旋的
黑洞。这个黑洞搅动着空间并发出“呜叫”，产生
更多的波动，直至平静下来成为一个孤独的、静止
的黑洞。正是这声“啁啾”——空间摆动加速和增
强直到黑洞合并，然后渐渐消失——能够被LIGO探
测到。这些“灾难”在我们星系中发生的概率小于
每百万年一次，但却能够产生可被LIGO探测到的信
号，即使它发生在距地球10亿光年那么远的地方—
—数百万个星系都比它要近。要探测到最佳信号事
件需要灵敏度极高当然也极为昂贵的仪器。在LIGO
探测器中，强激光束沿着4公里长的真空管前行，再
被管道末端的镜子反射回来。通过分析激光束，我
们便有可能测量出镜子间距离的改变，它随着空间
的膨胀和收缩而交替地增长和缩短。这个振动的振
幅非常之小，约为0.000 000 000 000 1厘米——
是一个单原子尺寸的几百万分之一。LIGO项目有两
台大约相距3 000公里远的相似的探测器，一台在华
盛顿州，另一台在路易斯安那州。单台探测器会记
录下微地震事件、驶过的车辆等。为了排除这些假
信号，实验人员仅关注同时出现在两台探测器中的
信号事件。
许多年来，LIGO没有探测到任何东西。但是科
学家们对它进行了改进，并使之于2015年9月再次上
线。历经几十年的挫败，这一探索成功了：它探测
到了来自10亿光年外的双黑洞合并所发出的那声“
啁啾”，这开启了一个全新的科学领域——探测空
间自身的动力学。
遗憾的是，令人兴奋的科学主张被误解和夸大
是众所周知的，而这本书将讲述这一领域中的这些
主张。我自认为是一个很难被说服的怀疑论者，然
而LIGO项目团队所宣布的内容——高水准科学家和
工程师们数十年努力的成果——是极有说服力的，
我期望这一次的理论能够完全令人信服。
这次探测的的确确是一项重大突破，它和2012
年引起巨大轰动的希格斯粒子的发现一样，是这个
年代最伟大的发现之一。希格斯粒子是粒子物理标
准模型的拱顶石，发展了数十年。同样，引力波—
—空间结构的轻微振动——是爱因斯坦广义相对论
的至关重要且独特的结果之一。
彼得·希格斯（Peter Higgs）在55年前预言
了希格斯粒子的存在，但是对该粒子的探测及性能
的确认必须等待技术的进步。这需要一台巨大的机
器——位于日内瓦的大型强子对撞机（Large
Hadron Collider，简称LHC）。引力波被预言得甚
至更早，但对它的探测却一再推迟，因为这项探索
需要检测的效应非常难以捉摸，同样需要规模巨大
且精度超高的仪器。
除提供了对爱因斯坦理论的全新的辩护外，这
些探测结果也加深了我们对恒星和星系的理解。黑
洞和大质量恒星方面的天文学证据是有限的，以至
于我们很难预测有多少事件处在可探测范围之内。
悲观主义者认为，这些事件太过罕见，以至于改进
过的新LIGO探测器在至少一两年之内也探测不到什
么。但是实验者们遇到了运气极佳的“开门红”，
他们看上去发现了一种新型的天文学，它揭示了空
间自身的而非其间所弥漫的物质的动力学。位于欧
洲、印度和日本的其他探测器也是引力波探测项目
的一部分，另外，还有一些向太空发射探测器的计
划。
但是太多的科学家都试图回避解释他们的想法
和发现，认为它们神秘且晦涩。的确，专业的科学
家们使用数学语言表达观点，可这对于很多人来说
简直是一门“外语”。不过，那些关键性的想法却
能够被一些技巧娴熟的作家用简单的语言表达出来
。霍弗特·席林就是其中很优秀的一位，他在这本
书中超越了自己。他所讲述的故事跨越了一个多世
纪。这本书用清晰、有趣的语言解释了其中的关键
性概念，并将其置于历史背景之中。他还描述了其
间形形色色的人物。有的人有点儿强迫症，但这没
什么好奇怪的——这种执念的确是任何人在一项可
能没有回报的实验挑战上付出数年甚至数十年努力
的前提。而且，这份努力是由团队中数百位专家的
协作支撑起来的。霍弗特·席林向我们讲诉了这些
为了实现超凡精确性而奋斗几十年的科学家和工程
师们激烈的争辩、遭遇的挫折，以及惊人的技术成
就。这群人如何成功地揭露了时间和空间本质的线
索。这是一个精彩的故事，动听且扣人心弦。
马丁·里斯（Martin Rees）
剑桥大学天文系荣休教授、前英国皇家学会主
席

你一定好奇过浩瀚星空背后隐藏着怎样的秘密，也想过探索我们所在的这个世界起源究竟是什么。黑洞、大爆炸、时空弯曲……那些你不明觉厉的名词在霍弗特·席林著的这本《时空的秘密》里都变得容易理解了。
翻开本书，跟爱因斯坦聊聊广义相对论，跟霍金谈谈黑洞视界，跟索恩一起聆听时空蓝调，以及你的椅子、猫和苹果派。

在这本优雅而迷人的书中，霍弗特·席林牵着
我们的手走过一个世纪的科学冒险之路，抵达了历
史上最重大的发现之一。
——罗伯特·戴尔克拉夫，普林斯顿高等研究
院院长
2015年9月，一个新的天文学前沿领域迎来了引
力波的首次直接探测，这证实了约一个世纪前阿尔
伯特·爱因斯坦的预言。霍弗特·席林献上的这场
迷人旅程让我们体验了引力波研究扣人心弦的背景
故事、当前的研究和对未来的期望。
——芭芭拉·凯泽，《自然》
席林带给我们一个关于引力波发现的生动有趣
的叙述……席林强调，这一发现开启了宇宙的新窗
口，是一个新科学分支的开端。天文学家将不再局
限于通过进入望远镜的电磁波（例如可见光）来观
测太空，还能够通过引力波来观测它。伽利略也会
对此感到惊讶吧。
——格雷厄姆·法梅洛，《卫报》

“秋分点”事件和“大犬”事件都是在9月份发生的。难怪2015年9月的信号出现时，很多科学家都怀疑他们又一次被愚弄了。但是，加布里拉·冈萨雷斯知道这次不一样，也不可能一样。当然，她是不会把这个消息分享给好奇的记者们的。记者们只被告知，过去的确盲注过假信号。但她告诉合作组织成员，所有人都应该意识到9月14日探测到的信号很可能是真的。
艰苦的工作或许才刚刚开始。这个信号不是盲注的真相并不能充分证明它源自太空中真实的引力波，还有很多其他可能的原因，比如计算机软件故障。要探测到汉福德和利文斯顿干涉仪镜面上的微小振动取决于数千行计算机代码。计算机软件永远摆脱不了发生故障的风险，这一点每个程序员都很清楚。因此他们必须对此做仔细检查。
这个信号或许是由地球另一侧的地震引起的？这意味着需要有人去美国地质勘探局（LISGS）求证。会不会是巨大陨石造成的大气冲击波，甚至可能在一些无人居住区域发生了撞击？这需要有人去查证次声波的记录。地球磁场的某些奇怪现象有可能产生这种信号。等离子体物理学家收集到的卫星测量数据也需要检查。有时，巨大的雷暴甚至有可能在电离层产生波动。很多自然现象都可能会触发这些精细的仪器，一切都需要一遍一遍地检查。
这就是探测委员会的任务，委员会由LIGO组织的斯坦·惠特科姆和Virgo组织的费德里克·马里昂（Frederique Marion）共同负责。他们知道应该做什么，事先制订的手册上已经写好了预案。委员会成员——无论是美国的还是欧洲的——都有各自的任务，每人只专注于几个潜在的问题。核对清单上画满了对号，电子表格也填满了。进展虽然缓慢但却笃定，每一种可能的解释都被一一排除了。比如，根据一个关于雷击的国际气象数据库的记录，就在这次探测前后，非洲西部的布基纳法索划过一道猛烈的霹雳，而后续的详细分析表明，它不可能影响到LIGO探测器的镜子。
还有很多其他事项需要检查。没错，这个信号在两台LIGO探测器上都可见，而且几乎发生在同一时刻。几乎同时获取到天文事件的引力波信号，是建造两台干涉仪的初衷。即便如此，仍然需要排除每一种可能的局域噪声。简单来说，一扇门被重重关上或者一辆卡车刚好经过，类似的情况在同一时间发生在两个观测站或许不大可能，但也不是全无可能。因此，这是探测委员会的另一项主要任务。当事件发生时，有人在干涉仪的管道中吗？要想核实，就得检查所有可获得的日志、摄像机和传声筒。探测器附近发生了什么异常的事情吗？来自各种环境感应器的记录应该可以提供必要的信息。会不会是磁场异常或者其他仪器干扰了镜子的悬挂系统、激光器或光电探测器？一切都被监控和记录下来，他们只需查看所有数据从而逐个排除各种可能性。
还有一种可能性，那是斯坦·惠特科姆噩梦中的情景：4个研究生在利文斯顿的酒吧边喝啤酒边琢磨如何侵入LIGO系统，只是为了好玩。毕竟，合作组织中有很多非常聪颖的人。也许有人可以想出一种巧妙的方式进入数据库，或者替换某台电脑的主板。这样一来，你甚至不能排除信号其实是一个前雇员的恶意报复举动造成的可能性。不过最后，即使这种可能性也被排除了。
惠特科姆承认，绝对的确定性在科学中是极其罕见的。美国的中央情报局、朝鲜的秘密警察，或者新版《碟中谍》电影的主人公都有可能愚弄他的探测委员会。但不会是团队中某个恶作剧的人，或者某个令人厌恶的局外人。正如一位委员会成员所说，如果某个人成功“导演”了这一切，那他就可以得一个诺贝尔奖了。
在2015年10月和11月期间，每一种可能的交叉检查都已完成：附近电路线的故障，低空飞行的飞机，真空泵的机械磨损，一名技术人员将手机落在了探测器区域。但这些都不能解释9月14日的信号。探测委员会甚至检查了合作组织中其他团队和小组的活动，以验证他们是否将工作完成得很好。整个过程一直持续到12月。
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