引力，這正是廣義相對論所要研究的核心問題，關於引力的話題我們還要深入講下去，這趟旅程比你能想像的還要出人意料。引力這東西到底是什麼？我們看不見它，摸不著它，但它又無所不在。從你有記憶的第一天起，你就能記得自己是怎麼走在路上跌倒，又是怎麼費力地爬起來；當你逐漸長大，你丟沙包，打籃球，一頭扎進水裡游泳，這一切都讓你無時無刻不在感受著地球的引力；再長大一點，你開始明白潮起潮落是因為月球的引力影響了海水。有一天，你終於抬頭好奇地注視著浩渺的星空，日月星辰，斗轉星移，你能看到的宇宙中的一切都被引力這雙無形的大手控制著。你是否跟牛頓一樣好奇過：這引力到底是什麼？牛頓認為，引力就像一根無形的線，牽連著宇宙中的所有物體。從牛頓優美的萬有引力公式我們可以看到，引力的大小跟物體的質量成正比，跟距離的平方成反比。我們地球正是被一根從太陽上拉出的無形的線牽引著，繞著太陽做著有規律的圓周運動，就好像我們甩一個鏈子球一樣。按照牛頓的公式，如果太陽突然爆炸了，那麼太陽的質量瞬間降為零，引力的大小也會瞬間降為零，就好像這根線突然斷掉了，那麼地球就應該瞬間被甩出去，這就叫引力的超距作用。也就是說，在愛因斯坦之前，人們一直認為引力的互相作用是瞬間產生的，不管距離有多遠，只要質量發生變化，引力的大小也立即跟著發生變化。
愛因斯坦對這個觀點產生了嚴重的懷疑。根據狹義相對論所證明的，沒有什麼信號或者能量的傳遞速度能超過光速，如果太陽突然爆炸，地球最快也要在八分鐘後才能得知真相，引力的傳播絕不能逾越光速這個極限。如果引力真是可以超距作用的話，那麼就可以靠有規律地改變質量的大小來向遠方傳遞信息，就跟莫爾斯電碼一樣，這顯然違反了狹義相對論的基本推論。牛頓肯定錯了，但是，如果不是牛頓所說的看不見的線，引力又到底是什麼呢？為什麼它可以隔著遙遠的真空而相互作用？
愛因斯坦點燃一根紙煙，陷入深思。引力可以引起光線的彎曲，光為什麼會彎曲？因為光要走最短的路徑，在一個彎曲的空間裡，光的最短路徑看起來就像一條曲線，就好像我們在一個皮球上的兩點間畫一條最短的線，它看上去就是一條曲線。既然光總是走最短的路徑，物理規律都是一樣的，一個扔出去的小球是不是也應該走最短路徑呢？我想應該是的，如果沒有地球引力，這個小球就會沿著直線一直飛下去。現在有了地球引力，這個小球走了一個拋物線落在地上，它的運動軌跡是一根曲線，那麼，我覺得這根曲線就應該是小球認為的在這個空間中的最短路徑，我們這個空間是被地球引力包裹的空間。所以，對了，就是這樣，引力的實質並不是一種力，只不過就是空間彎曲的外在表現而已，沒有什麼無形的線，只有彎曲空間這個實質。我們的宇宙空間就好像一張張開的大網，地球就壓在這張網上，網被壓得凹陷了下去。
【圖5-6】地球使得周圍的空間彎曲
就好像我現在一屁股坐在沙發椅上，我的屁股底下凹陷了一塊。這個凹陷的比喻和圖示都非常粗糙，只是一種近似，你千萬不要認為空間真的就是這麼凹下去的。實際上，三維空間是在所有的維度上都彎曲了，以我們人類有限的想像力，是很難把它真正形象化的，更不用說把它在一張二維的紙上畫出來。但不管怎樣，有這麼一個比喻總比沒有這個比喻好，雖然結果可能會讓這個世界上的少數聰明人更暈菜，但好處是會讓大多數普通人突然理解了時空彎曲。
我們在地球邊上被壓凹陷的網上放一個玻璃球，這個玻璃球當然會滾落到凹陷的最深處，直到和地球碰在一起。如果我們從遠處貼著網朝地球打一個玻璃球出去，當玻璃球滾到凹陷的地方時，如果速度不夠，就會繞著地球一圈圈地滾，越滾越深，最後和地球撞在一起。但如果玻璃彈的速度足夠快，它就會滾到凹陷的地方下沉一下，然後在另一頭出來，在凹陷的地方的軌跡看上去就是一根曲線。
【圖5-7】玻璃球走過的最短路徑看上去像一根曲線
我的這些想像和真實世界中的一切都是如此的吻合。流星劃過地球的軌跡就是一根曲線，如果流星速度很快，就會劃過天際，掠過地球而去。如果大網上的地球質量變化了，就好像這個球在網上抖動了一下，於是下陷的深度就會產生變化，這個深度的變化會從中心迅速地傳遞出去，但是不可能瞬間抵達邊緣，必然會有一個傳遞的過程，就好像捲曲的空間泛起了一個波瀾，這個波瀾的傳遞速度也是光速。這個波瀾，可以稱之為引力波，引力波的傳播速度也是光速。愛因斯坦在1916年和1918年分別發表了兩篇論文預言了引力波的存在。
引力波，多麼動人的一個詞，如果引力波真的存在，它就是宇宙空間中的漣漪，靠著時空的捲曲在宇宙中震盪。不過，關於引力波的理論確是一波三折，到了1936年，也就是愛因斯坦57歲那年，他卻開始懷疑自己對引力波的預言是錯誤的，他還與自己的學生羅森一起寫了一篇否定引力波存在的論文，好在正式發表這篇文章之前，愛因斯坦在羅伯遜的啟發下，又改變了自己的觀點，從否定引力波的存在轉變為不確定。自從愛因斯坦預測引力波的存在以來，近100年來，人類一直致力於通過實驗捕捉來自宇宙空間的引力波，這個努力延續了將近100年。2011年我寫這本書的初稿時，我是這麼寫的：很遺憾的是，我們至今尚未成功地探測到引力波。
但是我很慶幸的是，我竟然如此幸運，就在寫下上面那段文字的5年多後，在2016年2月11日，地球上最大的引力波探測器LIGO正式宣佈：引力波被找到了。我居然在有生之年親眼見證了如此激動人心的物理大發現，我堅信，在今後的物理學年鑒上，2016年將成為一個極為重要的里程碑式的年份。引力波的發現就好像人類又進化出了一雙新的眼睛一般，在未來，這雙新的眼睛必定會看到前所未有的宇宙奇景。在人類揭開宇宙奧秘的歷史中，望遠鏡的發明、電磁波的發現、引力波的發現就好像三級台階，讓我們一次又一次地站到一個個新的高度。如果愛因斯坦還活著，那麼2016年的諾貝爾物理學獎將毫無懸念地再一次頒發給他。
【圖5-8】LIGO引力波探測器
另一個好消息是，耗資數百億美元的人類迄今為止最大的引力波探測器LISA，有望在2018年開始工作，這個探測器將被部署在太空中，由三個繞著太陽運行的航空器組成。
【圖5-9】引力波探測器LISA的效果圖
當愛因斯坦有了引力的實質是空間的彎曲這個想法後，他並沒有急於寫論文向外界公佈，因為愛因斯坦深知，如果他的假想不能提出有力的實驗證據的話，沒有人會相信他。要能被實驗證實，就首先要設計一個實驗，而且這個實驗的結果要能根據自己的理論預測出來，只有實驗的觀測數據和理論預測的數據完全一致話，這個理論才能站得住腳，被科學界所接受。愛因斯坦知道，真正的挑戰來了。第一步，他要能找到計算空間彎曲程度和引力大小的關係公式，然後才可以再談實驗，否則一切都是空中樓閣。為此，愛因斯坦開始潛心學習微積分的知識；同時，為了能夠掌握曲面上的幾何學知識，他專程去大學深造了一年，深入學習黎曼幾何。在平面上的幾何學是由歐幾里德開創的，就是我們中學都學過的歐式幾何，但如果是球面上的幾何，就無法用歐式幾何來計算了。比如你在籃球上畫一個三角形，它的內角和就會大於180度；你在籃球上畫一個圓，周長和直徑比也不再是π。研究曲面上的幾何問題，就需要用到德國數學家黎曼創立的黎曼幾何學知識。就這樣，愛因斯坦在打通了狹義相對論的三脈神劍後，繼續朝著打通六脈的目標潛心修煉。僅有廣義相對論的思想還遠遠不夠，關鍵是要用數學的語言描述出來才行，因為數學是科學界通行的語言。
終於在1915年，愛因斯坦打通了剩下的三脈，六脈神劍大功告成。此時的愛因斯坦已經掌握了強大的數學工具，他已經能精確地推算出引力對空間造成的彎曲程度。下一步便是實驗，且看愛因斯坦是如何設計那個將在4年後震撼全世界的著名實驗的。這真是一個夢幻般的實驗，他的視覺震撼力絕不亞於大衛·科波菲爾的神奇魔術，愛因斯坦將一戰成名。別走開，整點新聞之後馬上回來。