我們的宇宙是一個彎曲而波動的宇宙，一種最隱秘的宇宙漣漪——引力波，將成為人類洞察宇宙世界的秘密通道。這個宇宙是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的,，從這個意義上來說，我們的宇宙就是愛因斯坦的宇宙,。
上篇：這是一個彎曲的空間
月球為什么不離開地球,，地球為什么不離開太陽，恒星為什么不離開星系,？牛頓說,，那是因為萬有引力；愛因斯坦說,，那是因為空間在彎曲,。牛頓認為，引力就像聯(lián)系宇宙萬物的紐帶,，將物體拴在空間中運動不止,；愛因斯坦認為，引力其實不是一種真正存在的力,，而是看不見的空間彎曲不平造成的假象,。從廣義相對論提出以來，越來越多的實驗和天文觀測結果都在表明,，我們這奇異而美麗的宇宙,，到處都是坑洞,，到處都是坡坎，到處都是褶褶疊疊的彎曲,。
在鏡子中放大的宇宙——彎曲空間中的引力透鏡效應
當你凝視星空的時候,，你會感到自己很渺小而宇宙如此宏大,，你會驚嘆宇宙像一個復雜的難解之謎一樣幻象萬千。但是,，真正的宇宙也許并不是你所想象的那樣廣袤無邊,，也不是你眼中看到的那樣擁擠嘈雜。在一個立滿哈哈鏡的屋子里,，空間可以被無限放大,，房間中的事物也可以反復出現(xiàn)，滿世界都變得熱鬧非凡,。我們的宇宙太空,，也立滿了這樣的哈哈鏡，那就是天文學家眼中的“引力透鏡”,，它讓星系光影交錯,，讓空間繁復莫辨,，讓物體虛實共存。這其實是空間彎曲后最奇詭的特性,。
在1979年以前,，關于空間彎曲在宇宙中形成龐大的引力透鏡的觀點，還只是愛因斯坦理論上的推測,。他預言,，在一些具有大質量星系聚集的太空區(qū)域，空間會像一張“橡皮毯子” 被鐵球一般的大質量天體壓出凹陷,，原本筆直經(jīng)過的光線在這里也要沿著凹陷的空間轉彎,，產(chǎn)生像凸透鏡一樣使光線轉彎的效應，并最終匯集起來,。實際上,，這將得到跟我們透過照相機看物體一樣的效果，在我們的底片上將落下另一個有光的影像,。但是這個透鏡比較怪,，越靠近中心部位的地方聚焦能力越強，越遠離它聚焦能力越弱,。因此愛因斯坦預言,，如果我們觀察的位置選取得當，將可以同時看見遙遠星體的數(shù)個虛像,。
這個有趣的推測在1979年得到了證實,。科學家們首次觀察到銀河系外一個遙遠明亮的類星體Q0597+561,，被它前面一個較大的星系擋住了,，這個巨大星系對空間的彎曲使類星體Q0597+561穿過附近的光芒轉折、匯集,，形成了另一個一模一樣的類星體影像,。這個類星體和它的像在宇宙中看起來像一對雙胞胎緊緊靠在一起，形成虛實莫辨的奇觀,。
但是與所謂的“愛因斯坦光環(huán)”比較起來,，這種只形成單個星像的景觀實在太平常了。如果觀察者恰好站在遠方發(fā)光星體,、星系引力透鏡所成的一條直線上,，將能夠從上到下、從左到右地看見星像連續(xù)出現(xiàn)在天空中,，形成一圈由星星組成的光明耀眼的環(huán),，就像晚會表演時觀眾手里拿的熒光圈一樣。哈勃望遠鏡觀看到的牛眼星云,，其實就是一個典型的愛因斯坦光環(huán),。并且當引力透鏡對遠方星體聚焦后,，產(chǎn)生的新的星體像會比星體本身明亮數(shù)百數(shù)千倍。如果你有足夠的能力將黑洞,、中子星或者大質量的星系移 動,，你就隨意控制了一個碩大無比威力無窮的放大鏡了，你可以用它來匯集太陽光芒,，就像你用放大鏡聚焦陽光點燃一張紙一樣,，你可以制造一個比太陽灼熱幾千倍的亮點，當?shù)厍蚺龅搅咙c時,，就像水滴落在燒紅的鐵板上一樣,，“滋啦”一聲地球煙消云散了！
因為引力透鏡的出現(xiàn),，天空更加熱鬧,，各種星體的面貌更加離奇，有的星光被放大,，有的星體仿佛被克隆,，整個宇宙都呈現(xiàn)出虛幻的放大，在這樣的空間里,，你能夠不被迷惑嗎,？我們又該怎樣理解“有限無界”宇宙的真正來由？牛頓所設想的平直空間是無法解決這些疑問的,，平面透鏡一樣的空間不會形成哈哈鏡中的奇跡,，也無法幫助人們識別誰是星體中的“真假美猴王”。只有愛因斯坦設想的彎曲,、崎嶇的空間——雖然我們無法用肉眼感知它——才能告訴我們真實的一切,。
陷阱里，鬼魅般閃耀的光芒——彎曲空間中光的紅移與藍移
經(jīng)過彎曲空間的光線產(chǎn)生的引力透鏡效應,，看起來好像被一種力量暫時劫持了一樣。那么當光線垂直落入彎曲空間中時,，會發(fā)生什么情況呢,？
光的顏色豐富多彩。但每一束光的顏色一般是不會改變的,，所以,，人們才能利用不同顏色的光做成信號，如以紅綠燈來指揮交通,，以穿透力強的紅色氖燈在迷霧中引導飛機和船只航行等等,。但是，假設我們?nèi)祟惪梢韵裨诘厍蛏弦粯由钤谥凶有巧踔梁诙瓷厦?，希望依靠光的顏色來傳遞信息的夢想將永遠不可能實現(xiàn),，因為在強引力場中,，按照與空間彎曲的不同走向，光的顏色會發(fā)生不同程度的改變,，產(chǎn)生所謂的“光的紅移或者藍移”現(xiàn)象,。人們發(fā)現(xiàn)光有這樣的特性，它的速度是絕對不變的,，但它的頻率或者波長能夠改變,，影響光子能量的惟一因素就是頻率，也就是它的顏色,。顏色越暗紅,，頻率越小，能量就越低,，反之,，顏色越藍紫，頻率越高,，能量也就越高,。當光子失去能量時，頻率降低,、波長變長,，顏色變紅，物理上把這種現(xiàn)象叫做“紅移”,；相反,，如果獲得了能量，光的特征就會反著改變,，而顏色也變得更幽藍,，這叫“藍移”。
還讓你回到我們未來設在中子星上的城市,，你馬上就會發(fā)現(xiàn)自己到了一個到處是鬼魅光芒的世界：海邊巨大燈塔發(fā)出的本來橘黃色的光芒,，你越遠離它，它就越變越橙紅,、褐紅,、暗紅直到不再發(fā)出光芒；而正朝在燈塔上守望的你駛來的船只上橘黃色的信號燈光,，你將發(fā)現(xiàn)越來越綠,、越藍、越紫直到變成刺眼的電弧一樣的閃光,，最后你也會看不見燈光了,，不過不是它太暗了，而是變成了X射線甚至伽馬射線，超出了你的視覺范圍,。地球上如此穩(wěn)定的光的顏色,，為什么在中子星上就變成了最捉摸不定的鬼魅呢？
愛因斯坦的廣義相對論告訴我們：引力場對于質量是一種陷阱,，空間在那里彎曲,，有質量的物體會自然地沿著傾斜的陷阱壁下落。對于光線也是這樣的,。中子星上的燈塔使它的周圍空間凹陷成傾斜的井,，光在這樣的陷阱中，當沿著井壁下滑時,，它就獲得了能量,，就像人順著斜坡下滑一樣，人體會獲得更大的能量,；相反,，要從井底爬上來，你要消耗很多能量,。越靠近巨大質量的地方,，空間彎曲越厲害，越陡峭,，光線在這個井中運動時獲得能量與消耗能量越厲害,。所以你就自然地看到了光的顏色在中子星上劇烈地變化。
其實,，中子星只是地球上情景的夸大,。我的地球上一樣存在這樣的現(xiàn)象，只是微小得任何人都無法去感覺,，因為地球質量所引起的空間彎曲非常微不足道,。但是，我們的儀器能夠感覺到,。
所有的光都屬于電磁波,，引力場中光子的行為改變可以用各種電磁波來實驗。20世紀60年代,，哈佛大學的研究者們將一個發(fā)射伽馬射線的放射性鐵塊放置在20米高的塔尖上,，當他們在地上測試接受到的射線時發(fā)現(xiàn)，伽馬射線的頻率的確變強了,，產(chǎn)生了藍移現(xiàn)象；反過來,，在塔頂測試塔底下傳過來的射線發(fā)現(xiàn),，其能量損失了，頻率降低，產(chǎn)生了紅移,。所以你在自己家中看見的節(jié)日的燈火顏色,，和你在太空飛船或者月球上俯視它們時看見的顏色一定不一樣(如果你能看見的話)，光在地球的空間陷阱中“爬”到月球上你的眼中時紅移了,。
行星,，在看不見的井中飛馳——彎曲空間中的水星進動
即使如光子這樣急速而又極輕的物質也會馴服地被空間擺布，更不用說那些行星恒星等天體了,。用萬有引力來解釋天體運動,，總是很虛幻而抽象，但當你想到它們不過是在傾斜的空間舞臺上轉動時,，不但能夠形象地感知,，而且會覺得更合理。
被搖動的骰子可以在碗沿上轉動而不落到碗底,；駕駛摩托車前進的井底飛車演員可以在傾斜的井壁上轉圈而不摔落下來,。一旦它們都停止前進，只有一個結果：落到最低處,。我們的地球以每小時10萬多公里的速度繞太陽公轉,，如果它停下來，不但馬上失去四季更替的自然景觀,，而且將攜帶著所有生命落入太陽的熔爐中化為烏有,。對于地球是這樣，對于太陽系的其它行星也是這樣,，這就是行星公轉運動的必要性,。為什么行星停止公轉就必然落入太陽的熔爐中呢？因為太陽利用自身重量在它的周圍空間制造了一個凹陷的陷阱,，地球和其它行星像一個個彈珠一樣在這個陷阱的邊緣向前快速滾動而不至于落入井底的太陽中,。
當然，有人一定馬上跳出來反對這樣的說法,，他們列出的理由是：應該是牛頓的萬有引力像一根無形的繩子一樣牽住了地球在繞行,，就像你用繩子拉住一個鐵球轉圈一樣簡單。但是在解釋水星的進動現(xiàn)象中,，牛頓的引力定律遭受了徹底的失敗,。
1846年，法國巴黎天文臺的青年天文學家肋維烈根據(jù)天王星的運動,，采用萬有引力公式進行計算準確預測了海王星的位置,，這使他更堅信太陽系內(nèi)還有新的行星沒有被發(fā)現(xiàn)，并把目光轉向了水星軌道以內(nèi),。他很快發(fā)現(xiàn),，水星繞太陽的軌道并不是固定不變的，而是每轉一周，其橢圓軌道的長軸便會像時鐘上的時針一樣前進一點,，形成所謂的“水星近日點進動”現(xiàn)象(如圖示),。水星近日點進動幅度很小，在天空中每年約挪動0.12度的位置,，相當于時針在鐘面上走了面前書中逗號大小的1/6,，這樣大約每3002年水星的長軌道軸將會像走動的時針一樣轉過整整一圈。按照發(fā)現(xiàn)海王星的經(jīng)驗,，這就意味著水星軌道內(nèi)還有一顆未知的行星,。這個發(fā)現(xiàn)使肋維烈十分興奮，他甚至為它取好了名字叫“祝融星”,?？墒侵钡嚼呔S烈去世后的100年中，所有根據(jù)牛頓理論尋找“水內(nèi)行星”的努力都只是竹籃打水,。“水星近日點進動”現(xiàn)象成了牛頓引力理論無法破解的謎,。
直到1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論,，并用這個理論計算出水星的近日點進動幅度與當時的觀測值只有千分之二的誤差,，達到驚人的一致。愛因斯坦是這樣用相對論來描述水星進動的：水星最靠近太陽,，這里的引力場比其他行星所處的引力場強多了,，時空也就彎曲得更厲害，形成一個陡峭的深井,。特別是在近日點,，水星不得不在那里下陷得更靠近太陽，就像飛車在更陡直的井壁下滑了一段距離一樣,，這段距離改變了它的軌道,。其實后來測量到地球、金星等行星都在近日點有進動現(xiàn)象,。這使我們相信,，行星的運動不是平面運動，它們在空間里轉圈的同時,，還順著傾斜的彎曲空間下滑,。
對空間彎曲的嶄新認識，使人們拋棄了尋找“祝融星”的陳舊觀點,，也使人們認識到牛頓建立在平直空間認識上的萬有引力理論不過是對宇宙小范圍觀測上的近似處理,。
時空為什么這樣崎嶇？
空間為什么會彎曲,，在彎曲的空間中物體究竟怎樣行走才能最省力省時,？
空間彎曲在常態(tài)下是不容易感知的,，而像黑洞和中子星這樣的極端環(huán)境人們又無從達到。所以在人類連續(xù)幾千年的智慧中,，都沒有實現(xiàn)過對空間彎曲的感知。包括牛頓,，他把平直的引力觀念推廣到了整個太陽系,，并認為可以推廣到整個宇宙。是愛因斯坦從那種錯誤中將真理拯救了出來,。愛因斯坦認為,，空間是四面八方立體交錯的有紋理織物，是一張厚厚的看不見的網(wǎng),，在這樣的網(wǎng)中,，任何物體也不可能真正實現(xiàn)自由運動，而且我們眼中看見的物體因為吸引產(chǎn)生運動的動力其實甚至不是一種力,，而是處在時空傾斜情況下的必然行為,。
牛頓曾經(jīng)無法弄清引力是怎么回事，他只好把引力的來源歸之于“上帝”,。只有愛因斯坦的相對論,，才使人們明白，空間曲率才是引力現(xiàn)象真正的原因,。在這個曲面中,，我們中學一直學習的平面幾何理論都只是對空間彎曲極小情況下的近似描述。所以一到彎曲厲害的空間中,，它就完全失靈甚至成為徹底的謬論,。
有了物質才有空間，但空間又與物體截然不同,?？臻g為物體存在提供了一個支撐的舞臺，這個舞臺的形狀只會被質量改變,，密度越大質量越大的物體,，在空間舞臺上會凹陷得越深，這就跟在一塊橡皮毯子上放一個哈密瓜和一個同樣大小的鉛球一樣,，后者會把毯子壓出一個深深的坑,。不過，我們的空間才不是像橡皮一樣柔軟呢,，雖然你能非常自由地在地面上穿行,。讓空間發(fā)生形變的難度有多大？我們讓一塊鋼板發(fā)生彎曲,、凹陷這樣的形變已經(jīng)很困難了,，但讓空間發(fā)生同樣形變的難度是鋼板的1032倍,。這個數(shù)字在牛頓看來是無窮硬，是不可彎曲的,，但愛因斯坦告訴我們,，不管使空間有多難，它總有一個度,。所以在空間的毯子上面放上一個太陽,，它產(chǎn)生的凹痕也只有幾個原子大小,！但黑洞就不同了,，它能將附近的空間拉過來包住自己，所以你看不見黑洞,，只能發(fā)現(xiàn)它周圍的空間捂得嚴嚴實實,。
總之沒有質量的地方空間確實是非常平直的，是質量改變了這一切,，而質量無處不在,，所以空間無處不崎嶇。
