引力，这正是广义相对论所要研究的核心问题，关于引力的话题我们还要深入讲下去，这趟旅程比你能想象的还要出人意料。引力这东西到底是什么？我们看不见它，摸不着它，但它又无所不在。从你有记忆的第一天起，你就能记得自己是怎么走在路上跌倒，又是怎么费力地爬起来；当你逐渐长大，你丢沙包，打篮球，一头扎进水里游泳，这一切都让你无时无刻不在感受着地球的引力；再长大一点，你开始明白潮起潮落是因为月球的引力影响了海水。有一天，你终于抬头好奇地注视着浩渺的星空，日月星辰，斗转星移，你能看到的宇宙中的一切都被引力这双无形的大手控制着。你是否跟牛顿一样好奇过：这引力到底是什么？牛顿认为，引力就像一根无形的线，牵连着宇宙中的所有物体。从牛顿优美的万有引力公式我们可以看到，引力的大小跟物体的质量成正比，跟距离的平方成反比。我们地球正是被一根从太阳上拉出的无形的线牵引着，绕着太阳做着有规律的圆周运动，就好像我们甩一个链子球一样。按照牛顿的公式，如果太阳突然爆炸了，那么太阳的质量瞬间降为零，引力的大小也会瞬间降为零，就好像这根线突然断掉了，那么地球就应该瞬间被甩出去，这就叫引力的超距作用。也就是说，在爱因斯坦之前，人们一直认为引力的互相作用是瞬间产生的，不管距离有多远，只要质量发生变化，引力的大小也立即跟着发生变化。

爱因斯坦对这个观点产生了严重的怀疑。根据狭义相对论所证明的，没有什么信号或者能量的传递速度能超过光速，如果太阳突然爆炸，地球最快也要在八分钟后才能得知真相，引力的传播绝不能逾越光速这个极限。如果引力真是可以超距作用的话，那么就可以靠有规律地改变质量的大小来向远方传递信息，就跟莫尔斯电码一样，这显然违反了狭义相对论的基本推论。牛顿肯定错了，但是，如果不是牛顿所说的看不见的线，引力又到底是什么呢？为什么它可以隔着遥远的真空而相互作用？

爱因斯坦点燃一根纸烟，陷入深思。引力可以引起光线的弯曲，光为什么会弯曲？因为光要走最短的路径，在一个弯曲的空间里，光的最短路径看起来就像一条曲线，就好像我们在一个皮球上的两点间画一条最短的线，它看上去就是一条曲线。既然光总是走最短的路径，物理规律都是一样的，一个扔出去的小球是不是也应该走最短路径呢？我想应该是的，如果没有地球引力，这个小球就会沿着直线一直飞下去。现在有了地球引力，这个小球走了一个抛物线落在地上，它的运动轨迹是一根曲线，那么，我觉得这根曲线就应该是小球认为的在这个空间中的最短路径，我们这个空间是被地球引力包裹的空间。所以，对了，就是这样，引力的实质并不是一种力，只不过就是空间弯曲的外在表现而已，没有什么无形的线，只有弯曲空间这个实质。我们的宇宙空间就好像一张张开的大网，地球就压在这张网上，网被压得凹陷了下去。

【图5-6】地球使得周围的空间弯曲

就好像我现在一屁股坐在沙发椅上，我的屁股底下凹陷了一块。这个凹陷的比喻和图示都非常粗糙，只是一种近似，你千万不要认为空间真的就是这么凹下去的。实际上，三维空间是在所有的维度上都弯曲了，以我们人类有限的想象力，是很难把它真正形象化的，更不用说把它在一张二维的纸上画出来。但不管怎样，有这么一个比喻总比没有这个比喻好，虽然结果可能会让这个世界上的少数聪明人更晕菜，但好处是会让大多数普通人突然理解了时空弯曲。

我们在地球边上被压凹陷的网上放一个玻璃球，这个玻璃球当然会滚落到凹陷的最深处，直到和地球碰在一起。如果我们从远处贴着网朝地球打一个玻璃球出去，当玻璃球滚到凹陷的地方时，如果速度不够，就会绕着地球一圈圈地滚，越滚越深，最后和地球撞在一起。但如果玻璃弹的速度足够快，它就会滚到凹陷的地方下沉一下，然后在另一头出来，在凹陷的地方的轨迹看上去就是一根曲线。

【图5-7】玻璃球走过的最短路径看上去像一根曲线

我的这些想象和真实世界中的一切都是如此的吻合。流星划过地球的轨迹就是一根曲线，如果流星速度很快，就会划过天际，掠过地球而去。如果大网上的地球质量变化了，就好像这个球在网上抖动了一下，于是下陷的深度就会产生变化，这个深度的变化会从中心迅速地传递出去，但是不可能瞬间抵达边缘，必然会有一个传递的过程，就好像卷曲的空间泛起了一个波澜，这个波澜的传递速度也是光速。这个波澜，可以称之为引力波，引力波的传播速度也是光速。爱因斯坦在1916年和1918年分别发表了两篇论文预言了引力波的存在。

引力波，多么动人的一个词，如果引力波真的存在，它就是宇宙空间中的涟漪，靠着时空的卷曲在宇宙中震荡。不过，关于引力波的理论确是一波三折，到了1936年，也就是爱因斯坦57岁那年，他却开始怀疑自己对引力波的预言是错误的，他还与自己的学生罗森一起写了一篇否定引力波存在的论文，好在正式发表这篇文章之前，爱因斯坦在罗伯逊的启发下，又改变了自己的观点，从否定引力波的存在转变为不确定。自从爱因斯坦预测引力波的存在以来，近100年来，人类一直致力于通过实验捕捉来自宇宙空间的引力波，这个努力延续了将近100年。2011年我写这本书的初稿时，我是这么写的：很遗憾的是，我们至今尚未成功地探测到引力波。

但是我很庆幸的是，我竟然如此幸运，就在写下上面那段文字的5年多后，在2016年2月11日，地球上最大的引力波探测器LIGO正式宣布：引力波被找到了。我居然在有生之年亲眼见证了如此激动人心的物理大发现，我坚信，在今后的物理学年鉴上，2016年将成为一个极为重要的里程碑式的年份。引力波的发现就好像人类又进化出了一双新的眼睛一般，在未来，这双新的眼睛必定会看到前所未有的宇宙奇景。在人类揭开宇宙奥秘的历史中，望远镜的发明、电磁波的发现、引力波的发现就好像三级台阶，让我们一次又一次地站到一个个新的高度。如果爱因斯坦还活着，那么2016年的诺贝尔物理学奖将毫无悬念地再一次颁发给他。

【图5-8】LIGO引力波探测器

另一个好消息是，耗资数百亿美元的人类迄今为止最大的引力波探测器LISA，有望在2018年开始工作，这个探测器将被部署在太空中，由三个绕着太阳运行的航空器组成。

【图5-9】引力波探测器LISA的效果图

当爱因斯坦有了引力的实质是空间的弯曲这个想法后，他并没有急于写论文向外界公布，因为爱因斯坦深知，如果他的假想不能提出有力的实验证据的话，没有人会相信他。要能被实验证实，就首先要设计一个实验，而且这个实验的结果要能根据自己的理论预测出来，只有实验的观测数据和理论预测的数据完全一致话，这个理论才能站得住脚，被科学界所接受。爱因斯坦知道，真正的挑战来了。第一步，他要能找到计算空间弯曲程度和引力大小的关系公式，然后才可以再谈实验，否则一切都是空中楼阁。为此，爱因斯坦开始潜心学习微积分的知识；同时，为了能够掌握曲面上的几何学知识，他专程去大学深造了一年，深入学习黎曼几何。在平面上的几何学是由欧几里德开创的，就是我们中学都学过的欧式几何，但如果是球面上的几何，就无法用欧式几何来计算了。比如你在篮球上画一个三角形，它的内角和就会大于180度；你在篮球上画一个圆，周长和直径比也不再是π。研究曲面上的几何问题，就需要用到德国数学家黎曼创立的黎曼几何学知识。就这样，爱因斯坦在打通了狭义相对论的三脉神剑后，继续朝着打通六脉的目标潜心修炼。仅有广义相对论的思想还远远不够，关键是要用数学的语言描述出来才行，因为数学是科学界通行的语言。

终于在1915年，爱因斯坦打通了剩下的三脉，六脉神剑大功告成。此时的爱因斯坦已经掌握了强大的数学工具，他已经能精确地推算出引力对空间造成的弯曲程度。下一步便是实验，且看爱因斯坦是如何设计那个将在4年后震撼全世界的著名实验的。这真是一个梦幻般的实验，他的视觉震撼力绝不亚于大卫·科波菲尔的神奇魔术，爱因斯坦将一战成名。别走开，整点新闻之后马上回来。