电影和现实中的引力波探测
在《星际穿越》中，布兰德教授在土星附近发现了虫洞。这是拉撒路计划实现的前提。事实上，那个虫洞非常小，如果不是事先知道，从地球上将很难发现。电影中并没有提及布兰德教授是如何找到它的，但在科学设定书中，索恩教授认为布兰德教授的信息来源是引力波。
在《星际穿越》的科学设定中，布兰德教授在某一天突然从LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Ob-servatory，激光干涉引力波天文台)的探测数据中发现了强烈的引力波信号，而这个信号居然来自土星方向。这个引力波并不是虫洞产生的。按照基普·索恩的设定，这个引力波信号实际上来自于虫洞另外一端相互紧密绕转的中子星和黑洞，它们的引力波部分地通过虫洞传播到了地球。
双黑洞系统发射引力波的艺术示意图。
网格的扭曲代表了空间受到引力波的扭曲。什么是引力波?当两个天体互相绕转的时候，它们的引力对空间的扭曲是随时间变化的。如果有人在水池中央搅动水面，水面的变化会以波动的形式传向四方。类似的，相互绕转天体造成的空间变化也会向各个方向传播开来。这种由引力场变化造成的空间波动就是引力波。引力波是爱因斯坦相对论理论的重要预言。但在相对论发现后100年间，引力波都没有被直接探测到。
1974年，美国麻省大学阿莫斯特分校的教授泰勒和他的学生罗素利用位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜第一次发现了一对互相绕转的脉冲星。在经过了长达30年的监视后，泰勒发现这两个双星的距离竟然在逐渐缩短。为什么?泰勒想到了引力波。
就好像电磁波会携带电磁能，引力波也携带着能量。绕转的双星不断发射引力波，会使得它们自己的引力势能减少，从而越靠越近。泰勒观测到的双星距离缩短速率和广义相对论预言精确地符合(精度好于1%)。泰勒和罗素的发现被认为是引力波存在的重要证据，他们因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
我们可能直接探测到引力波吗?在写作这本小书的最后阶段(2016年2月)，LIGO引力波探测器确实第一次探测到了引力波。整个科学界为之轰动，因为爱因斯坦理论的最后一块拼图被完善了。
这次观测到的引力波事件，是由一个36太阳质量和一个29太阳质量的黑洞合并发出的。合并后的黑洞质量是62太阳质量，说明有3个太阳质量的能量以引力波的形式放出(误差0.5太阳质量)。探测的统计显著度是5.1个sigma，按照物理学界惯例，可以被称作发现。统计上讲，这个显著度意味着203000年才会产生一次由噪声造成的误判。
这个引力波源，远在银河系之外，距离我们差不多是13亿光年外(红移0.09)。比较一下的话，这个距离差不多是我们到最近星系团室女团距离的二十多倍，是银河系大小的16000倍。
整个引力波观测过程0.4秒，其中双黑洞合并的一瞬间只有0.05秒(图3.8)。双黑洞合并几乎在一瞬间就将3太阳质量等效的能量以引力波形式发射出去，功率顶峰高达200太阳质量/秒。什么意思呢，这是全宇宙恒星功率和的50倍。所以虽然我们看不见，甚至很难感觉到，但是引力波确实是宇宙中强大的能量事件。
LIGO是如何直接探测到引力波的呢?引力波本质上是空间的形变在传播。如果引力波传到地球，我们会在一个方向上被拉伸，在另一个方向上被挤压。LIGO计划就是要测量这种效应。LIGO有两条长臂，相互垂直。每条臂长达4公里。LIGO的长臂实际上是高度真空的长管。在每条长臂的两段悬挂着直径34厘米的反射镜，LIGO探测器利用激光干涉，不间断地测量每对反射镜之间的距离。
当引力波传过探测器时，人们会探测到这两对反射镜之间的距离呈现此消彼长式的周期变化。LIGO探测器一共建成了两座，分别位于美国的华盛顿州和路易斯安那州，两地相距3000公里。当引力波以光速传播，因此如果一束可探测的引力波扫过地球，两座LIGO探测器探测到信号的时间将有10毫秒量级的时间差。精确测量这个时间差可以帮助研究者确定引力波发出的方向。
但是引力波是非常微弱的，因为相比其他三种力(强力、弱力、电磁力)，引力的强度是最弱的。LIGO希望探测到的典型事件是双黑洞合并。如果两个10太阳质量的双黑洞合并，其发出的引力波扫过LIGO四公里的长臂，造成的改变只有10-18米量级。也就是说，在4公里的长度上，引力波造成的长度改变只有质子直径的千分之一。
2002年，LIGO建成并开始运行，在其后的10年间，LIGO没有探测到一起确定的引力波事件。当时，一些科学家相信引力波信号已经存在于观测数据中，只是研究者尚无力将其从噪声中分离。2015年9月开始，LIGO的升级版本Advanced LIGO开始运行，并于2016年1月结束了第一阶段的运行。Advanced LIGO的探测灵敏度超过LIGO十倍。LIGO的最初设计是希望探测到室女星系团内(也就是银河系所在的星系团，大约5000万光年内)的双中子星。而Advanced LIGO有能力观测到10亿光年内的双中子星引力波。如果引力源是即将合并的双黑洞，Advanced LIGO的探测范围可以达到50亿光年。升级版的LIGO可探测事例的几率超过LIGO最初版3000倍。
研究者正在计划将引力波探测器搬到空间中，以使得引力波探测器可以极大地扩展臂长，从而探测到波长更长的引力波(低频引力波)。地面的引力波探测器只能够探测到非常接近的双星系统，而空间项目可以大大弥补这一不足。eLISA项目计划将三个探测器升入太空。它们将成等边三角形状，两两相距100万公里，不断地利用激光干涉测量彼此间的距离。中国中山大学计划中的天琴项目也致力于制造类似的探测设备。但是在电影《星际穿越》中，由于植物枯萎病在地球的蔓延，人类的科研经费已经被削减得所剩无几。但好在布兰德教授还有LIGO，他最终捕获到了虫洞的出现。
LIGO探测器，读者可以看到其相互垂直的双臂，每条臂长四公里。(LIGO官方网站)
在现实世界中，引力波探测也遭遇同样的问题。eLISA的原版LISA项目事实上比eLISA更加强大，探测臂长达5百万公里，由美国航天局和欧洲航天局共同建造。但是2011年由于财政预算被奥巴马政府缩减，NASA退出了LISA的建造。这造成了项目的大幅缩水。引力波在过去的十年间探测困难使得相关项目在各种预算竞争中处于不利地位。Advanced LIGO的成功将对其他的引力波的项目(如空间项目eLISA，中国的天琴计划，Pulsar tim-ing array)注入一剂强心针。
引力波的探测将大大加强我们对于引力的理解。不同于其他三种力可以在实验室中进行研究，对引力的研究非常困难。在我们日常接触的大多数领域，广义相对论效应并不明显。我们至今只能通过天体运动、光线弯折等有限的方法研究引力。而这些方法仍然只能探测较弱的引力场，远远触及不到黑洞视界附近最为扭曲的空间。而引力波探测将打开一扇新的窗子，帮助人们了解空间最扭曲部分的动态变化——这种动态过程被基普·索恩称作几何动力学过程——使人们以前所未有的精度理解广义相对论(或者证伪它)。
引力波是否有希望帮助我们理解量子引力理论?可能很难。研究者证明如果可以随意操纵引力波强度，高级文明可以操纵引力波内爆造出裸奇点，并揭示量子引力的最终奥秘。但从第一次探测到引力波信号，到这一宏伟目标的实现，仍有巨大的差距。
《星际穿越》上映的时候，引力波又何尝不是一个尚存在于科幻与科学边缘的概念?但如今，我们历史性地看到了一个科幻电影中的想象变成坚实的科学事实。
