飞船突然剧烈震动。“那是什么？”惊慌的船长询问飞船的计算机。
计算机推断出一股引力波已经滚过航天器。
据报道，这些波源自一对巨大的黑洞，它们与飞船的距离就像月球与地球的距离一样近。
船长知道，两个黑洞（密度极高，引力强大到连光都无法逃脱的物体）一直在相互旋转。但当它们猛烈撞击在一起，合并为一个时，碰撞在空间结构（或者更准确地说，时空结构）中产生了一个快速移动的涟漪，其强度超出了他的预期。它交替拉伸和压缩其路径上的所有物体和每个人。
“你们已经习惯了引力波，它们非常微弱，只有非常精密的仪器才能探测到它们的力量，”计算机告诉船长，“在这里，靠近合并的黑洞，它们的强度非常大。”
帕萨迪纳加州理工学院的物理学家基普·索恩在他的书中更详细地描述了这一遥远的未来情景黑洞和时间扭曲（诺顿，1994 年）。在这本书中，他实现了许多专门研究引力和爱因斯坦广义相对论的当代科学家的梦想——以某种方式遭遇引力波。
然而，与那位星际飞船船长不同，如今的科学家甚至无法声称自己熟悉用灵敏仪器探测到的引力波。30 多年来，研究人员一直试图利用精密平衡的金属棒来辨别引力波经过时引起的细微拉伸和收缩，但都没有成功（SN：1978 年 3 月 18 日，第 169 页）。这项任务非常具有挑战性，探测器必须测量不到质子直径千分之一的长度变化。
尽管依靠金属棒的探测器仍在改进中，但另一项技术已经出现，许多研究人员认为它更有可能获得长期追求的奖项。11 月，加州理工学院和麻省理工学院完成了由美国国家科学基金会资助的激光干涉引力波天文台（SN：2/29/92，第 134 页）的第一阶段建设，该天文台由两个站点组成，耗资 3 亿美元。
从现在到 2002 年，LIGO 科学家计划安装并微调探测器设备。该天文台是全球正在开发的一系列新型激光引力波天文台中的旗舰，预计届时将开始搜寻引力波。
如果任何一台仪器最终捕捉到引力波，爱因斯坦 84 年前提出的广义相对论的一个重要预测将得到验证。科学家可以开始在黑洞等密度极高的物质所特有的巨大引力下对该理论进行严格的测试。
这一壮举也标志着探索宇宙的一种完全不同的方式的开始，特别是探索其黑暗和暴力的一面。它甚至可能提供一种在大爆炸后最短暂的瞬间见证宇宙的方法。
芝加哥大学宇宙学家迈克尔·S·特纳 (Michael S. Turner) 表示：“LIGO 确实是我所认为的 21 世纪最大挑战的第一步：打开通向宇宙的引力波窗口。”
有争议的预测
1916 年爱因斯坦发表广义相对论后不久，科学家们就开始思考其中对引力波的有争议的预测。
广义相对论将空间和时间融合成一个无缝的四维实体。质量或能量的存在使时空弯曲。这种曲率表现为物体之间的吸引力——引力。
想象一下，一个球放在橡胶板上。橡胶板上会形成凹坑，弯曲表面上的任何物体都会向球滚动，就像受到力的推动一样。如果球滚动或摇晃，或者两个球相互旋转，橡胶板就会颤动，向外涌出波浪。
同样，大质量物体的运动也会产生曲率波，即引力波，它会在时空结构中产生涟漪。理论家认为，并非所有大质量物体都会引发引力波。但具有完美球形对称性的物体（例如旋转的球）却是个例外。
至今还没有人探测到真正的引力波。尽管如此，1974 年发现的一个不寻常天体的行为让大多数科学家相信引力波是真实存在的。
同年，当时就职于马萨诸塞大学阿默斯特分校的拉塞尔·A·赫尔斯和约瑟夫·H·泰勒二世发现了一对密度极高的恒星灰烬，即中子星，它们正在快速绕行。其中一颗是脉冲星，它在绕行过程中会周期性地发射出无线电波。
脉动速率的逐渐变化表明恒星正在缓慢地向彼此旋转。如果这对恒星以引力波的形式释放能量，那么这种减速与广义相对论的预测完全吻合（SN：10/23/93，第 262 页）。由于这一发现，赫尔斯和泰勒于 1993 年获得了诺贝尔物理学奖。
科学家已经发现了多种似乎能够产生可探测引力波的物体，并至少粗略地计算出了每个源会产生什么样的波形。
除了黑洞或中子星相互螺旋碰撞外，该图集还包括衰老恒星坍缩时发生的强大爆炸，即超新星。研究人员表示，即使是我们银河系中一颗孤独的旋转中子星，如果其表面与完美光滑度有丝毫偏差，也会产生可探测到的引力波。
宇宙中的一些引力波可能是大爆炸的遗留物。“人们研究过的几乎每一个早期宇宙模型都会产生引力波辐射背景，”威斯康星大学密尔沃基分校的布鲁斯·艾伦说。研究人员打算分析 LIGO 的静态数据，这些数据将描绘出 10 岁时的宇宙-22秒。
另一个诱人的前景是：完全未知的物体可能会在引力波中显露自己。“这为我们打开了一扇全新的宇宙之窗，与我们曾经打开过的任何其他窗口都截然不同，”索恩说。“一定会有惊喜。”
扭曲时空
引力波可能会通过扭曲时空的奇怪方式暴露自己。拉扯一块编织物，与拉伸方向平行的线会挤压在一起，而垂直的线会拉开。科学家说，引力波对时空有类似的影响，称为应变。
LIGO 的两个站点分别位于华盛顿州和路易斯安那州，每个站点都有一个由钢管组成的直角，每根钢管长 4 公里，直达地平线。激光束被分成两部分，从交叉点同时射向两臂。
每个管子两端都悬挂着厚重的镜子，用于反射光束，管子内是真空的。
LIGO 的设计人员使用一种久经考验的干涉测量技术，让返回的光束汇聚到探测器上。通过反转沿一条路径返回的光波的波峰和波谷，他们使合并的光束发生干涉，从而相互抵消。
因此，当没有引力波时，探测器看到的是黑暗。
然而，如果引力波穿过 LIGO 的垂直臂，它们会沿着一条臂拉伸时空，同时沿着另一条臂收缩时空，从而导致路径长度出现微小差异。通常，偏移量远小于激光波长。当来自不同路径的光束重合时，它们将不再完美对齐，从而破坏绝对抵消。探测器将检测到一些光。
通过使用强激光和极其灵敏的探测器，LIGO 科学家希望能够识别出小至激光波长万亿分之一的镜面位移，相当于 1021射程 4 公里。
加州理工学院的 LIGO 主任 Barry C. Barish 指出，加州理工学院的研究人员已经证明，他们可以用臂更短的干涉仪原型测量如此微小的位移。“这太惊人了。几乎不可能，”Barish 说。“干涉测量法确实很神奇。”
丰富的信号
引力波天文台（例如 LIGO）会调谐单一、变化丰富的振荡信号。它会结合来自各个方向的多种频率的信号。从这个意义上说，天文台就像耳朵一样，就像望远镜就像眼睛一样。
LIGO 可以探测到的频率为 10 至 10,000 赫兹，正好位于人类听觉范围内。通过扬声器播放，这些频率甚至会变成一种天籁之音。
然而，科学家强调，类比仅限于此。引力波不是声音。声音是空间中物质压缩和膨胀的波，而引力波则是空间本身的扭曲。
尽管如此，引力波科学家发现将仪器的信号视为声音很方便。麻省理工学院的巴里什和雷纳·韦斯说，向内螺旋的双星会发出“吱吱声”。黑洞吞噬恒星后发出的声音是“打嗝声”。
一些研究人员，例如纽约雪城大学的 Peter Saulson，发现聆听探测器发出的信号很有用。“为了调试我们制造的一些原型仪器，人们确实会聆听它们，”他说。“这是一个非常好的技巧，因为你的耳朵是一个非常好的信号处理设备。”
科学家必须从大量杂散信号中找出引力波产生的微小图案。这种不需要的噪音可能来自地面震动、设备中激光强度的变化以及原子的随机抖动等。
天文台建造者对探测器进行地震隔离，并采用多种类型的阻尼和校正来消除噪音。科学家还在寻找使原子随机抖动安静的方法（SN：10/23/99，第 263 页）。
通过安装两个相距 3,000 公里的相同探测器，LIGO 科学家可以区分每个站点的局部噪声和影响更广的信号，例如引力波。作为更大探测器网络的一部分，这些仪器还可以区分真伪，并对天体源进行三角测量。
未来几年，随着 VIRGO（一台与单个 LIGO 探测器类似的意大利干涉仪）和两台德国和日本的小型干涉仪的启动，这样的网络有望成型。五台使用金属棒的探测器也在监听 900 Hz 共振频率的信号。
最后，LIGO 观测者还将利用来自已知来源的模拟波形来帮助他们区分信号和噪声。即使使用超级计算机，生成这些波形也非常困难，因为广义相对论的方程式非常具有挑战性（SN：6/26/93，第 408 页）。受最近成功模拟黑洞之间的碰撞的鼓舞，研究人员表示，他们希望在 LIGO 开始收集数据时掌握一对向内螺旋黑洞的完整序列。
黑洞合并
设计者表示，在计划的灵敏度下，LIGO 可能在最初 3 年的科学运行中探测到少量黑洞合并事件——这是它最有可能捕捉到的事件。另一方面，如果它在首次运行期间没有发现任何事件，他们也不会感到沮丧。
“我们的计划一直是，将其开启到可能发现某种物质的灵敏度，然后将其提升到即使没有发现也会令人吃惊的灵敏度”，索恩说道，他是 20 世纪 60 年代 LIGO 的原始支持者之一。
研究人员已开始研究将于 2005 年安装的改进技术。届时，LIGO 计划将把石英镜换成合成蓝宝石镜，因为合成蓝宝石镜的密度更高，能够更有效地散发激光束的热量。
索恩表示，此次大修应能将天文台的灵敏度提高约 15 倍，将其对黑洞合并的探测范围从 6 亿光年扩大到近 100 亿光年。通过监听如此多的空间，LIGO 应能将其探测源的速度提高 3,000 多倍。
除了升级后的 LIGO，美国和欧洲的航天局官员还在考虑建造一个名为“激光干涉仪空间天线”（LISA）的轨道引力波观测站。它将把引力波观测范围扩大到更低的频率范围——从每 10 秒一次到每 3 小时一次。这样，科学家就可以观测到缓慢旋转的双星和核心有巨大黑洞的碰撞星系。
LISA 由三艘航天器组成，呈三角形阵列，边长 500 万公里，是“该领域的未来潮流”，韦斯说，他在 30 年前提出了使用干涉仪探测引力波的概念。他说，由于 LISA 波段的信号预计比触发地面探测器的信号更强、更丰富，因此该太空天文台每周将能够探测到多个源。
也许到那时引力波就会像科学家所说的那样普遍了。
