时空的结构说明了由于质量引起的涟漪和变形。一个新的理论必须与广义相对论不同，它必须做出新颖的、截然不同的预测。
对于一个科学家来说，很难想象有什么比成为第一个发现新事物的人更令人兴奋的事情了。一个新的行为、一种新的自然法则、一种新的能源、一种看待宇宙的新方法。当爱因斯坦提出他的广义相对论时竟然是所有这些及其更多。100多年来，它可以说是我们有史以来最成功的物理理论，经过了无数的测试和验证，有了新的探索途径。在不到两年前第一次探测到的引力波是打开宇宙的最新窗户。在一本包罗万象的新书中《时空的涟漪：爱因斯坦引力波以及天文学的未来》多产的科学作家希林已经取得了令人着迷的历史和科学的准确性，伟大的奇迹和好奇心以及绝妙的故事。
宇宙局部的引力场的可视化，在比星系和星系团更大的最大尺度上，是我们能理解宇宙的伟大宇宙观之一。
我们现代的宇宙图景是错综复杂的，在过去的一个世纪里已经有了巨大的发展。当这本书开始时霍弗特通过挑战我们想象宇宙的不同方式来描绘这幅画。我们在小尺度上进入原子；我们在更大的尺度上看待恒星、星系和伟大的宇宙网络；我们的旅行接近光速，我们探索高温和能量。在向我们介绍宇宙的时候,，最引人注目的方面是有多少故事是有必要的。刚开始写这本书的人会发现更多值得探索的新途径，因为你几乎可以看到无人跋涉的好奇之路。
这幅图像显示了引力透镜效应，因为时空被质量扭曲了。爱因斯坦的理论与牛顿的理论有很大的不同。图片：NASA, ESA, and Johan Richard (Caltech, USA); Acknowledgements: Davide de Martin & James Long (ESA/Hubble)
广义相对论并不总是我们的引力理论，它必须推翻牛顿万有引力定律。时空的涟漪描述了这是如何发生的，历史上和科学上关于弯曲的时空如何做出明确的预测，牛顿引力没有。这不仅仅局限于星光的弯曲，还包括所有的空间本身可以扭曲、扭曲、变形和延迟。讨论了日食和水星的进动，但也讨论了大地效应和框架拖曳。还有一个有趣的事实，爱因斯坦自己也纠结于引力波是否真的存在，或者仅仅是数学的产物。这也是一个强烈的提醒：不管一个人有多聪明，他们从来没有把一切都做对，知道一切。
当两颗中子星相互环绕时，爱因斯坦的广义相对论预言了轨道衰变和引力辐射的发射。对这种效应的观察（黑点）与理论预测（红线）非常吻合。图片：NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
时空的涟漪远远超出了你在过去几年里听到的引力波的故事。坍缩的天体物理现象，如白矮星和中子星也被讨论过。在双星系统中，脉冲星的轨道衰变被证明是对引力辐射的第一个间接验证并详细讨论。还讨论了直接和间接探测引力波的尝试，例如大的“条形探测器”探测器或者在宇宙微波背景中寻找特定的偏振信号。约瑟夫?韦伯(Joseph Weber)和他的开创性(但最终是有缺陷的)工作和壮观但有缺陷的BICEP2结果，并不是失败而是学习经验，这些经验在今天仍然具有科学价值。
在它的核心像LIGO或LISA这样的系统只是一种激光，通过光束分裂器发射，发射出两种完全相同的垂直路径，然后再组合成一个干扰模式，随着臂长度的变化，图案也随之改变。图片：LIGO collaboration
最后像LIGO这样的现代引力波天文台的概念和执行，都是在引人入胜的细节中发展起来的。介绍了干涉测量法，提出了一种可行的、理论上可检测的系统和振幅的概念。
计算机模拟两个合并的黑洞产生引力波。图片：Werner Benger, cc by-sa 4.0
这对那些对LIGO的检测持怀疑态度的人尤其感兴趣。LIGO的设计灵敏度到底有多大？他们怎么能知道他们看到的是真的呢？他们有多大的信心能检测到他们声称发现的东西？这些问题的答案非常清楚，在引力波天文台的历史和它们的发展过程中给出了无数的例子。读完这个故事后你所有的疑虑都该没有了。
引力波波动的形状是无可争议的，但波谱的大小完全依赖于模型。最大幅度的可能性是BICEP2敏感的范围，但未来的观测和实验可能揭示出一个信号，如果较弱的可能性描述了我们的物理宇宙。图片：普朗克科学团队
你会注意到时空中涟漪的一个最显著的特点就是故事的独特性。这本书本身研究得很好，作者以老式的方式来做这件事：首先去拜访那些有助于创造这一历史的科学家和历史人物，科技是一个坚实的基础；没有甚至一个著名科学家的意见，实际上科学事实混为一谈。虽然有丰富的历史，重点始终是科学调查和发现的故事（或者有时候没有发现，这也同样有趣！）
约瑟夫·韦伯的早期引力波探测器，韦伯的错误探测是一个更大的故事的一部分，最终导致了真正的引力波的发现。图片：Special collections and university archives, University of Maryland libraries
有一些小的硝石可以被发现。书中暗示在爱因斯坦提出狭义相对论之前，闵可夫斯基发明了时空概念相反的是正确的。很多空间都致力于失败的实验，有两个完整的章节将会涉及到BICEP2的结果。还有一些奇怪的疏漏。对于约瑟夫?韦伯(Joseph Weber)提出的所有细节，他忽略了微波专家乔治?伽莫夫(George Gamow)对“大爆炸之父”(George Gamow)能否利用他的专业知识来帮助他的故事。虽然伽莫夫回答说“不”，但事实是设计一种探测宇宙微波背景的方法是非常合适的！
物理学家格伦·雷布卡(Glen Rebka)，在哈佛大学杰斐逊大厦(Jefferson Towers)著名的普里-瑞贝卡实验的设置过程中打电话给庞德教授。图片：Corbis Media / Harvard University
同样令人震惊的是，在概念上非常简单的普里-瑞贝卡实验，被这本书嘲笑为过于复杂而无法描述。然而所有的实验都是在低海拔引起了核实验发射，并注意到相应的核吸收并没有发生在更高的海拔，这大概是由于爱因斯坦所预言的引力红移。然而如果你给低海拔发射器一个能量，通过将它连接到一个扬声器上，额外的能量将平衡在引力场中向上移动的能量损失。结果到达的光子有正确的能量，吸收发生。令人费解的是像引力探测器这样复杂的东西被详细地讨论过，但是一个简单的实验可以在一两段中解释得很好就太困难了!
一位艺术家对这三艘LISA航天器的概念图，由较长时间的引力波所产生的空间涟漪应该为宇宙提供一个有趣的新窗口。LISA在几年前就被美国宇航局取消了，现在由欧洲航天局建造，来自NASA的支持只提供部分。图片：EADS Astrium
话虽如此，时空中的涟漪仍然是壮观的，容易阅读。它既轻快又深入，一个美妙的组合，当你经历了那些已经证实了引力波存在和特性的发现之旅时，你就会在今天结束，在那里未来的可能性显然是在你的脚下。脉冲星正时阵列开启了探索波长较长的引力波的能力，而没有干涉仪可以测量，事实上可以看到BICEP2所寻求的波的类型。未来的地面观测站将新增LIGO阵列，并且已经在建设。LISA正在路上将在太空中探测引力波，以及超大质量黑洞产生的时空涟漪。在未来用我们的技术来验证与光学和其他以光为基础的天文学有关领域。
两个黑洞合并形成一个更大的黑洞，不仅能被观察到，而且很可能还会被观察到很多次。尽管如此未来的引力波仍有可能远远超过这个范围。图片：LIGO
总而言之时空涟漪是一个绝妙的教育科普读物。它属于任何对了解21世纪最不可思议的科学进步的科学、历史和故事感兴趣的人。随着我们科学的进步，这本书将提醒我们，我们已经走了多远，我们如何到达那里，我们期待着我们最有希望的雄心壮志。
作者：Ethan Siegel
来自：forbes
编译：光量子
审校：博科园
