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电影《星际穿越》里的虫洞是如何被人类发现的？作为一位物理学家，我会在这一章里和大家聊聊我偏好的一个方法。关于这个方法的故事，相当于《星际穿越》剧本的一个延伸，当然这个故事是我自己的，而不是克里斯托弗·诺兰的。
LIGO发现引力波暴
在我的想象中：在电影故事发生的几十年前，那时的布兰德教授只有20多岁，是一个叫作LIGO的引力波探测实验室（见图15-1）的副主任，LIGO的全称是：The Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，即激光干涉引力波天文台。LIGO当时的主要任务是寻找来自遥远宇宙的空间波动。这些空间波动被称为“引力波”，在黑洞相互碰撞、黑洞的潮汐力摧毁中子星和宇宙诞生极早期等物理阶段产生，当然还有其他物理机制能产生引力波，这里就不一一赘述了。
图15-1 上图：位于华盛顿州汉福德的引力波探测阵列LIGO的航拍照片。下图：LIGO的控制室，工作人员正在控制这些仪器，并监视信号
在2019年的一天，LIGO探测到了有史以来一次最强烈的引力波爆发（见图15-2）。信号的振幅在反复涨落几次后突然停止。整个引力波暴只持续了几秒钟。
基普根据陈雁北（Yan-bei Chen）和弗朗索瓦·福卡尔（Francois Foucart）等人于2011年得到的数值模拟结果绘制
图15-2 LIGO探测到的引力波暴最后120毫秒的信号
通过对比观测到的波形（图15-2中的波浪线的形状）和超级计算机给出的数值模拟结果，布兰德教授和他的团队推断出了这次引力波爆发的源头——由中子星和黑洞组成的双星系统。
当一颗中子星围绕黑洞公转时
当一颗中子星围绕黑洞公转时，它会发射出引力波。在这个双星系统里，中子星的质量是太阳的1.5倍，黑洞的质量是太阳的4.5倍，并且黑洞是高速自转的。黑洞的自转拖拽着周围的空间一起旋转，这样产生的空间回旋会与中子星的公转轨道相耦合，从而驱动中子星进行缓慢的进动[1]——就像一个有倾角并旋转的陀螺。这个进动的过程会影响引力波的振幅，让人们观测到波幅的涨落（如图15-2所示）。
引力波会穿过广袤的宇宙向外传播，同时带走双星系统的一部分能量（见图15-3）。随着双星系统能量的不断减少，中子星的公转轨道半径慢慢变小。当中子星和黑洞的距离缩小到30千米的时候，黑洞的潮汐力开始摧毁中子星：其中，97%的中子星遗骸会被黑洞吞噬，而另外的3%遗骸会被抛出黑洞，形成一条热气体的尾巴，最后又被黑洞吸回来，并形成吸积盘。
在我的手绘图的基础上由LIGO实验室的艺术家绘制
图15-3 引力波向外扩散的示意图，其中引力波是由转动的中子星和黑洞组成的双星系统产生的。此图为超体中的假想观测图
图15-4展示了中子星被黑洞彻底毁灭前的最后几毫秒的数值模拟结果。在中子星被完全毁灭的10毫秒前，黑洞绕着红色的自转轴高速自转，中子星绕着图中的垂直轴转动。毁灭前的4毫秒，黑洞的潮汐拉伸线开始拉扯中子星使之解体。毁灭前的2毫秒，随黑洞一起旋转的回旋空间将中子星的碎片抛入黑洞的赤道平面。最后，中子星的碎片开始形成黑洞的吸积盘。
图15-4 中子星被毁灭前几毫秒的数值模拟结果，来自弗朗索瓦·福卡尔和他的同事们的数值模拟结果，详情请扫二维码
引力波源，虫洞的另一端
通过回顾过去两年LIGO的所有观测数据，布兰德教授和他的团队发现了来自双星系统的中子星的一股极其微弱的引力波信号。这颗中子星表面有座微小的山脉，大约一厘米高、几千米宽（这样的山脉被认为是很可能存在的）。当这座小山跟着中子星的自转一起运动时，就会产生微弱但是稳定的引力波，日复一日。
通过对这个稳定的引力波信号进行认真的研究，布兰德教授确定了引力波源的方位。这个方位实在是太不可思议了，竟然一直指向一个环绕着土星的卫星轨道！因为地球和土星分别按照不同的公转轨道运行，所以引力波源一定离土星非常近！
一颗中子星围绕土星做公转？不可能！一个黑洞和一颗中子星组成双星系统，然后一起围绕土星公转？这个更不可能！如果真的是这样，土星早就被潮汐力撕裂了，黑洞和中子星的引力也早就破坏了太阳系中所有行星（包括地球）的运转轨道。随着轨道被破坏，地球将会被带到接近太阳的轨道，然后又被送到距离很远的地方。而我们先会被高温烤焦，再会被低温冻僵，最后死掉。但是事实摆在眼前，引力波源确实就在离土星很近的地方。
布兰德教授能找到的唯一解释就是：引力波来自一个靠近土星的虫洞，而引力波源，也就是中子星-黑洞双星系统一定是在虫洞的另一端（见图15-5）。引力波从双星系统向外不断传播：一小部分引力波被虫洞捕获，通过虫洞，然后向外四面传播穿过太阳系，这一小部分引力波中的一部分传播到地球上，并最终被LIGO引力波探测器探测到。
图15-5 引力波通过虫洞传播到地球上
诺兰缘何弃用引力波？
这个故事最早的版本来自我和琳达·奥布斯特为《星际穿越》所写剧本的初稿。但是，引力波在我们初稿的其他部分中也没有扮演很重要的角色，而在乔纳森·诺兰和克里斯重新修改的剧本里也是一带而过。而且他们认为，即使不提及引力波，电影中也已经引入了足够多的、严肃的科学理念。所以后来当克里斯打算精简电影《星际穿越》中的科学元素时，引力波就成了他最自然的删减对象。所以，他抛弃了它。
就我个人而言，克里斯的决定还是让我挺难受的，因为LIGO项目是在1983年由我、麻省理工学院（MIT）的雷纳·威斯（Rainer Weiss）和加州理工学院的罗纳德·德雷弗（Ronald Drever）联合建立的。而且，我制定了LIGO的科学计划和目标，并且用了20多年的努力才把它变成现实。现在的LIGO日臻成熟，人们期待它可以在这个10年之内得到引力波的第一例观测。
但是，克里斯抛弃引力波的理由确实令人信服，所以我并没有对他的决定表达任何的不满和反对。
引力波以及探测引力波的仪器
在回到电影《星际穿越》的讨论之前，我先放任自己一下，对引力波的事情多说几句。
图15-6是由一位艺术家创作的关于黑洞拉伸线的概念图，展现了来自互相逆时针旋转然后碰撞的双黑洞系统的拉伸线。这里让我们回忆一下第3章所讲的内容：你还记得拉伸线能够产生潮汐力吗？从两个黑洞端向外延伸出去的拉伸线会对所有与其相交的物体产生拉扯作用，当然也包括图中所画的那位艺术家朋友。而且，从黑洞碰撞区域延伸出来的拉伸线会对所有与其相交的物体产生挤压作用。因为双黑洞系统中的成员会相互快速绕转，所以周围的拉伸线会被拉扯着与黑洞一起运动，向外且向后（逆时针）地扩散出去，就像旋转的洒水器喷出的水那样。
当两个黑洞最终合并成单个并且质量更重的黑洞后，就会产生一个变形的黑洞，它会沿着逆时针方向自转，同时其自身的拉伸线会被拉着随其一起一圈又一圈地转动。拉伸线会像旋转的洒水器洒出的水一样向外扩散，最终，黑洞的拉伸线会变成像图15-7所显示的复杂形式。在图15-7中，红线代表拉扯效应，蓝线代表挤压效应。
由利亚·哈洛伦绘制
图15-6 互相逆时针高速旋转的双黑洞系统产生的拉伸线
由罗布·欧文（Rob Owen）绘制
图15-7 变形旋转黑洞的拉伸线示意图
当拉伸线向外传播穿过一个离黑洞很远并且处于静止状态的人的身体时，他的身体会感受到一会儿被拉扯、一会儿被挤压的震荡效果。在这个时候，拉伸线其实已经变成了引力波。在图片平面上任意一处有深蓝色拉伸线（强挤压效果）存在的地方，深红色拉伸线（强拉伸效果）将是垂直于图片的方向向外的，同样，深红色潮汐线所经过的地方，深蓝色潮汐线也是垂直于图片的方向向外的。随着这种波动向外传播，黑洞的形变会逐渐变弱，波强也会随之降低。
图15-8 LIGO探测器上引力波的成像示意图
当引力波到达地球的时候，它们的形式会如图15-8上方图中所显示的样子。引力波沿着一个水平方向拉伸，沿着另外一个垂直的方向压缩。当引力波信号继续穿过图15-8下方所示的探测器时，拉伸和挤压两种效应将会循环震荡（从红色的由右向左变到蓝色的由右向左，再变回红色的由右向左，如此反复）。
这个探测器由四面大镜子组成（每面镜子重40千克，直径为34厘米），分别用支架支撑在两条相互垂直的探测臂之上。引力波的拉伸线在拉扯一条探测臂的同时挤压另一条探测臂，然后再挤压刚才拉伸的那条探测臂，如此循环往复。我们用激光干涉技术监测各面镜子之间振荡式的距离变化，这就是LIGO之名“激光干涉引力波观测站”的由来。
现在，LIGO是一个大型国际合作项目，大约有来自17个国家的900位科学家为其工作，总部设在加州理工学院，由大卫·赖茨（David Reitze，主任）、阿尔伯特·拉札里尼（Albert Lazzarini，副主任）以及加布里埃拉·冈萨雷斯（Gabriella Gonzalez，合作发言人）共同领导。考虑到这个项目对于我们在理解宇宙方面的巨大的潜在回报，LIGO主要通过美国国家自然科学基金由纳税人的税款资助。
LIGO已经分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿建成了两个引力波探测装置，将来还会在印度设置第三个。意大利、法国和荷兰的科学家们在比萨（Pisa）附近也建立了类似的干涉仪装置，而日本的物理学家们正在山中的隧道里建立一个引力波探测装置。这些探测器会协同合作，最终成为一个在世界范围内探测引力波的巨型网络，从而帮助人类通过研究引力波去探索宇宙。
到2000年的时候，我已经为LIGO培养了很多科学家。之后，我开始研究其他方向，但是，我依然非常密切地关注着LIGO的动态，看着LIGO与其相关的国际合作日臻成熟，期盼着第一例引力波观测的到来。
“宇宙弯曲的一面”
电影《星际穿越》讲述了一场人类经历黑洞、虫洞、奇点、引力异常和高维空间的冒险旅程。所有这些物理现象都源自于空间与时间的弯曲或与弯曲密切相关。这也是为什么我愿意称它们为“宇宙弯曲的一面”的原因。
到目前为止，人类对时空弯曲还不甚了解，几乎没有相关的实验和观测数据。这就是为什么引力波尤其重要的原因：引力波源自于空间的弯曲，所以它们是探索宇宙弯曲的理想工具。
假如你只看到过风平浪静的海面，那你是无法了解狂风暴雨时波涛汹涌乃至巨浪滔天的大海的。
这类似于我们今天对时空弯曲的理解和认识。我们几乎不知道任何有关“风暴”之中的弯曲空间和弯曲时间的性质（这里的风暴是指剧烈的时空变化，比如空间位形和时间流逝速率的剧烈震荡）。对我来说，这些都是令人向往的前沿课题。约翰·惠勒是一位具有非凡创造力的科学家，他把这一过程称为“几何动力学”（geometrodynamics）：时空几何的剧烈动力学行为。
20世纪60年代早期，那时我还是惠勒的学生，他建议我和其他学生去做有关几何动力学的研究。我们尝试了，但是非常不幸地失败了。我们当时不知道如何才能把爱因斯坦方程解得足够完美，从而了解这些方程的理论预言，而且我们也无法在天文学上观测宇宙的几何动力学。
我曾经花费了很多时间来改变这个状态。我还和其他人一起创建了LIGO来探测遥远宇宙中的几何动力学。2000年，我把我在LIGO的职位转交给别人，然后与其他在加州理工学院的同事们共同建立了一个科学小组，我们的科学目的是用超级计算机计算爱因斯坦方程的数值解，然后用这些数值解来模拟几何动力学，并研究与它相关的性质。这个项目被称为SXS（Simulating eXtreme Spacetimes，模拟极端时空）。这也是一个合作项目，其中包括我的小组、康奈尔大学索尔·图科斯基（Saul Teukolsky）的研究小组和其他一些小组。
研究几何动力学的最佳地点是两个黑洞发生碰撞的地方。因为当两个黑洞发生碰撞时，黑洞会将时空带入剧烈的旋转之中。我们的SXS数值模拟现在已经比较成熟，并且已经开始逐步揭开了广义相对论的预言（见图15-9）。LIGO和它的合作伙伴们将会在接下来的几年里探测到黑洞碰撞所产生的引力波，这些观测可以检验我们数值模拟的理论预言。
这真是一个探索几何动力学的美好时代！
原初引力波，宇宙诞生一瞥
1975年，我的一位俄罗斯好友列昂尼德·格里修克（Leonid Grishchuk）给出了一个令人吃惊的预言：宇宙大爆炸会产生大量引力波。他认为，这些引力波的产生机制是以前不为人所知的：来自大爆炸的引力量子涨落[2]会被宇宙初始的膨胀显著地放大；在经过放大之后，它们就形成了原初引力波（primordial gravitational waves）。如果这些引力波能够被发现，那么它们可以帮助我们一瞥宇宙诞生时的情形。
图片建立在SXS小组的数值模拟结果之上，截图自由哈拉尔德·菲佛（Harald Pfeifer）制作的演示视频
图15-9 双黑洞碰撞的数值模拟。上图：从我们的宇宙中观测到的双黑洞轨道和引力场。中图：黑洞碰撞时的时空弯曲（超空间的假想观测），箭头表示空间跟随黑洞运动的速度向量，颜色代表时间的弯曲程度。下图：数值模拟中辐射出的引力波的波形。数值模拟中的两个黑洞是完全相同的无自旋黑洞
在之后的几年里，随着对宇宙大爆炸认识的逐渐成熟，我们很明显地发现，在波长和我们整个可见宇宙相当的尺度上——大约是10亿光年，原初引力波的波强将达到峰值。而在LIGO的可探测波长处，即几百千米到几千千米的尺度上，原初引力波的强度会弱到无法观测。
20世纪90年代早期，宇宙学家们意识到，这些10亿光年波长的引力波应该会在填充满宇宙的电磁波背景——所谓的宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background，CMB）——上留下独特的印记。这样，一个圣杯式的研究工作便浮现了出来：寻找存在于宇宙微波背景辐射上的原初引力波的印记，通过研究这些印记，推断产生这些印记的原初引力波的性质，从而探索宇宙的诞生。
2014年3月，就在我写作此书的同时，宇宙微波背景辐射上的原初引力波印记被杰米·巴克（Jamie Bock）组建的小组[3]发现（见图15-10）。而在加州理工学院时，他的办公室就在我办公室门前走廊的另一端。
然而，在2014年的冬天，一系列的努力却得到了一个令人失望的结果。杰米的团队和欧空局普朗克卫星（在绕地球飞行）的联合观测表明，至少有一半的观测信号事实上是由于星际尘埃所导致的，而是不是完全由尘埃所致目前还不清楚。很可能的是，一小部分的信号的确是来自原初引力波，从而用于探索宇宙的诞生，但最终的答案还依赖于未来几年更多却异常难获取的观测数据。
如果这个信号真的是由大爆炸所产生的原初引力波造成的，那么这也许是宇宙学中50年一遇的重大发现。这个信号为我们带来了宇宙诞生极早期（大爆炸后一兆兆兆分之一秒）的信息。它将证明理论物理学家关于宇宙极早期快速膨胀的预言，用宇宙学家的行话说是“暴涨”。这将把宇宙学引入一个新纪元。
在这一部分里，我对引力波的热情驱使我讲述了很多关于引力波的故事，展示了如何利用引力波来探索《星际穿越》里面的虫洞。我们还研究了虫洞的性质，尤其是《星际穿越》里面的虫洞的性质。接下来，我会带领大家参观一下电影中虫洞另一端的世界，去拜访一下米勒星球、曼恩星球以及库珀所乘坐的“永恒”号宇宙飞船。
图15-10 发现原初引力波信号的Bicep 2（Background Imag-ing of Cosmic Extragalactic Po-larization 2）望远镜[4]，由杰米·巴克的团队所建造。Bicep2望远镜位于南极，图中是南极黎明时的场景，由于极昼夜现象，在一年之内观测只有两次。望远镜下方的保护罩是为了保护望远镜不被来自周围冰层的辐射影响。图中右上角的插图显示了测量到的引力波在宇宙微波背景辐射上的印记：极化分布图，宇宙微波背景辐射的电场指向图中的短线方向
[1] 进动（precession），是 自转物体的自转轴又绕着另一轴旋转的现象， 又可称作旋进。——译者注
[2] 量子涨落（quantum fluctuation）：在空间中任意一点处，能量的暂时变化。从维尔纳· 海森堡的不确定性原理可以推导出这一结论。量子涨落对于宇宙结构的起源非常重要，是宇宙中最早的星系结构的种子。——译者注
[3] 发现引力波信号小组 的官方领导人包括杰米、他以前的博士后约翰· 科瓦奇（JohnKovac，现在在哈佛大学）、郭昭麟（Chao-Lin Kuo，现在在美国斯坦福大学）以及克莱姆· 普莱克（ClemPryke，现在在明尼苏达大学）。
[4] Bicep2（Bicep1）望远镜：宇宙泛星系偏振背景成像望远镜2代（1代），目的是进行一系列宇宙微波背景实验观测，测量微波背景辐射的偏振，特别是B模偏振。——译者注
