假设你想一瞥时间的开端，目睹宇宙创生的最初一刻，你会怎么做？也许你会从建造一台完美的望远镜开始。你需要远离人类文明中的灯光光线，找到一个空气干燥的山顶，然后在接近山顶处搭起一个高台，再在上面建一座顶尖的天文台。接着，给这个天文台配上一面比现在的空间望远镜还要大的透镜，接上一堆复杂无比的探测器。在耗时数年，花费数十亿美金之后，你最终才能把夜空中的每个光子都揽入怀中。大功告成之际，你能看到些什么呢？
选一个对天文学家而言千篇一律的夜晚，当月亮落入地平线以下，苍穹如洗，夜色苍茫，在这泛着淡淡蓝光的墨色晴空之中，究竟会闪耀着何等璀璨的珍宝？
在近处，你能看见寥寥几颗行星，以固定的旋转轨道漂流在星座之中。再远一些，来自银河系的恒星交相辉映，在一些暗淡白点的苍穹之中，耀眼夺目。在天空中更暗淡的一些角落，星系闪耀，有些甚至距离地球数百万光年之远。如果你将手中的那台完美望远镜对准合适的区域，它还能带着你走向宇宙更为深邃之处，回溯100亿年甚至更远的时光，回到第一批恒星诞生之初。
但是，可见光仍然有其无法突破的极限。它无法向你展示整个宇宙。
你就算整夜盯着望远镜，夜夜不休，也永远看不到黑洞的内部，更没法追溯到时间的开端。大爆炸后最初的一二十万年里，宇宙还处于婴儿时期，充满了囚禁光的粒子——光子深陷其中，就好像落入泥沼的萤火虫一般，难以展翅飞翔。
至少要到大爆炸之后38万年，宇宙才冷却到逐渐变得透明，我们才能观测到宇宙创生时的 “闪光”——我们将这种“闪光”称为宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background， CMB），它是现代宇宙学的重要研究对象。宇宙微波背景辐射也是一面墙，一个研究时间起源的壁垒，在它之外，是我们暂时无法研究的未知区域。
听，时间最初的声音。所以，无论我们将望远镜建造得如何庞大、复杂，通过光线，科学家永远无法回溯到时间的起点。想要看到宇宙微波背景辐射之外、宇宙起源的情景，宇宙学家必须转而借助引力。引力会在时空中激起涟漪，我们称之为引力波（gravitational wave）。探测引力波需要新型的仪器，一些与望远镜完全不同的仪器。
和许多奇异的物理现象一样，引力波最初只是一个理论构想，是从方程中推导得出的，而非真实的实验观察。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）首先提出这一概念，并在他的广义相对论中预言了引力波的存在。他认为某些质量非常大、运动速度又非常快的物体，会对周围时空结构产生扰动，引力波就是时空扰动向外传递的微小涟漪。
这种涟漪有多微小呢？爱因斯坦认为，引力波小到永远无法被观测到。
但到了1974年，两位天文学家拉赛尔·赫尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫·泰勒（Joseph Taylor），通过一个非常巧妙的实验间接验证了引力波的存在。他们对一种名为脉冲双星（binary pulsar）的天体进行了深入研究。脉冲星是很久以前爆发的恒星遗留下的高速自转、不断向外发射辐射的内核，它们的自转和辐射都极为规律，因此深得天文学家的青睐，将其用作宇宙中的“钟表”。
在一个脉冲双星系统中，一颗脉冲星和另一个天体互相绕转。赫尔斯和泰勒意识到，如果爱因斯坦的相对论是正确的，这对绕转的天体就会产生引力波，引力波会不断带走相互绕转的轨道能量，最终这两个天体绕转的轨道就会逐渐收缩，而绕转速度也越来越快。他们绘制出了脉冲星可能的变化路径，然后细心观测了数年之久。
记录数据表明，轨道确实在收缩，而且和他们的预言完美吻合，完美而彻底地证实了爱因斯坦的理论，赫尔斯和泰勒因此获得了1993年诺贝尔物理学奖。
从光子到引力子。事实上，从理论上说，引力波有助于弥补光波很多不足，不仅局限于光无法揭示时间的起点这一点。光作为信息载体还有其他一些缺陷。
首先，光需要从粒子的相互作用中产生，光喷涌进宇宙之中的那一刻，就宣告了一些很微小的事件正在发生，比如恒星中的氢正在聚变成氦，光是任何无穷小事件的记录者。如果我们想要知道一个很大的天体如何在时空中运动，就必须将大量记录微小事件的光聚集到一起，通过推理得出结果，我们只能通过拼凑得出一个大概的结论。
更糟糕的是，光总是倾向于从热力学密度大的环境发射出来，这会使我们对宇宙的认知有一定偏差。天文学中大规模的、非常明显的光，都是炽热事件的产物，比如恒星在演化末期经历的剧烈的超新星爆发。每当我们在脑海中勾勒宇宙，浮现出的宇宙结构都倾向于那些炽热的、混乱的区域。
光信号还非常脆弱。它们在穿越宇宙的过程中常常会衰减甚至完全消失。有些被传播路径中巨大的气体云吸收，有些则被散射或掉入引力势阱，从此再无音讯。
这些势阱中最深的是那些超大质量黑洞，它们是宇宙结构的支柱，所有星系都盘踞在它们周围。科学家想进一步了解这些黑洞，特别是当两个黑洞相遇，其中一个被吞噬时的真实情景，但是没有一束来自黑洞的光线能够到达我们的望远镜或眼睛，因为尽管光子非常快，但也无法摆脱黑洞中心的引力。
由于无法获得黑洞内部的光线，宇宙学家只能利用未被黑洞吞噬的外部光线来做研究。这些外部光线来自黑洞周围的物质，由于黑洞周围时空被扭曲得非常剧烈，从而不断向外发出光线。幸运的是，引力波信号完全不像光信号那样容易受影响，它不会被散射也不会被削弱，而是静静地在时空中传播，无视途中碰到的任何天体巨物。
第一台引力波探测器。数十年前，宇宙学家就已经开始探索建造一台引力波探测器。
激光干涉引力波天文台（Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory，LIGO）是目前这类研究中最成功的成果之一。该天文台耗资5.7亿美元 ，由三台仪器构成，两台在美国华盛顿州，一台位于路易斯安那州。每台仪器都堪称工程学上的奇迹。仪器利用激光设备，能够探测到相当于原子直径大小的长度变化。
LIGO的工作原理是沿着两条互相垂直的探测臂发射激光束，通过对比两条激光束的长度来进行测量，这种方法被称为激光干涉法（laser interferometry）。如果一列足够强的引力波穿过仪器探测空间，就会反复引起空间的膨胀或收缩，这样两条光臂的相对长度就会发生变化。从本质上来说，LIGO就是一副天文“大听筒”，倾听着隐秘宇宙中微弱的引力波。
LIGO的问题在于，它只能“听到”这些脉冲双星塌缩时的“奏鸣曲”，此时脉冲双星的旋转开始加速，并向周围空间发射出一系列强烈的引力波，宛如垂死前的哀鸣。我们的宇宙虽然浩淼无垠，恒星密布，但双星塌缩却是极为罕见的，想要观察到它们变化的规律，必须要观测巨大范围的宇宙空间。直到现在，LIGO的测量都还是局限于某个有限范围，而这块地方也许几百年也碰不到一次双星塌缩。
好在第一批LIGO的建造只是一次排练，主要是为了解决仪器在千米尺度上相互配合时，可能碰到的各种工程技术问题。现在，LIGO的工程师已经能够让这些复杂的探测器工作起来，目前的任务就是努力提高其探测精度，使得在不久以后，LIGO能够探测50亿光年外的双星塌缩，精度的提升可让它每年能够探测到数百个此类事件。
实际上，很多天体物理学家都希望，LIGO在2016年重新投入使用之后的几个月之内，就能得到直接探测到引力波，而那个时间，恰好是爱因斯坦预言引力波存在100周年的日子。
进军太空。就算不考虑高昂的成本，LIGO在地面上也难展拳脚。从某些方面看，它的任务只是进行概念验证，是引力波科学最终进入最佳研究场所——太空的非常必要的第一步。
对引力波探测而言，地球是个糟糕的实验室：地表下频繁的板块碰撞和地表上来回晃荡的海洋，使得地壳总是处在地震的噪音之中。由此产生的任何一丝振动或抖动，都能轻易淹没引力波拉伸时空时那细若游丝的“呜咽”。想要把各种强度的引力波都听个真切，探测器必须高悬在大气层之外的空渊之中，只有那里才更加平静。
在美国航空航天局戈达德宇宙飞行中心（NASA Goddard Space Flight Center），两组工程师正在努力争夺建造首个空间引力波探测器的机会。成立时间较长的那一组已经将手中的项目——空间天线式激光干涉仪（Laser Interferometer Space Antenna，LISA），打磨了几十年。
LISA任务是一个非常大胆的工程项目，要求的精度非常高，与之相比，LIGO就像个乐高玩具。LISA项目需要发射三个空间飞行器绕太阳旋转，三个飞行器会排列成边长500万千米的等边三角形。一旦飞行器就位，就可以通过激光来不断精确测量它们之间的距离。如果有引力波通过，飞行器就会受到扰动，使等边三角形扭曲变形，激光就能够敏锐地捕捉到这一变化。
哪一束引力波最古老？
普林斯顿大学天体物理系主任戴维·斯泊格（David Spergel）是全球最杰出的宇宙学家之一，也是美国国家研究委员会（National Research Council）宇宙学和基础物理十年展望委员会的主席。斯伯格说，引力波不像光波，宇宙对引力波几乎就是透明的，不会出现宇宙原始时期的引力波被奇怪的宇宙环境禁闭的情况。实际上，即便是大爆炸之后第一缕引力波都能毫无困难地传播到我们所处的时空。
不过这也带来一个问题，我们怎么知道探测到的引力波是来自那个时间点呢？
斯泊格告诉我，“要产生引力波，你需要让周围大量物质快速运动，其中一种方法就是相变（phase transition）”。所谓相变就是一个物理体系突然改变自身的状态，一个经典的例子就是水凝结成冰，除了这种小规模的相变，还存在宇宙尺度的相变，有些是在大爆炸之后不久发生的。
以夸克为例，今天的夸克绝大多数都被束缚在原子核中，但在宇宙诞生后最初的几微秒，它们是可以自由地飞来飞去的，构成宇宙学家口中的“夸克—胶子等离子体”（quark-gluon plasma）。到了某一刻，宇宙突然从这种夸克—胶子等离子体进入一个由质子和中子构成的新状态。
“如果是像这样的一级相变，那在等离子体中就会形成很多泡泡，使得大量物质产生非常激烈的运动，”斯泊格继续说道。
当新状态开始出现，并在旧状态中产生泡泡时，一级相变就会突然发生。这些泡泡会扩张、碰撞，直到旧状态消失殆尽，从而宣告相变完成。这个过程造成的混乱会产生一系列很强的引力波，今天的我们可能仍在接受这些引力波的洗礼。对它们的探测，让我们得以一瞥宇宙形成初期的情形。甚至可能还存在更古老的引力波。
在某些暴涨宇宙模型中，宇宙进入第一波指数膨胀期时，刚好伴随着时空的量子涨落，这些此起彼伏的扰动会让宇宙中的某些区域比其他区域膨胀得更快。由此可能会产生一种特殊类型的引力波，被称为随机引力波（stochastic gravitational waves），它们产生于宇宙创生后不到万亿又万亿分之一秒（10-30秒）。
“大多数暴涨宇宙模型都预言，这种随机引力波背景来自非常早期的宇宙”，斯泊格向我解释道，“如果我们能观测到它，就能看到物理学最根本的内容。它会告诉我们，宇宙在极高能量标度下是什么模样，这个能量尺度是大型强子对撞机（LHC）能量上限的1013倍。”
追寻随机引力波是一项高风险的科学研究，探测它们十分困难。要想从“倾泻”到空间探测器上的引力波信号中筛选出那宝贵的原始波，不仅要有特别灵敏的仪器，还需要对数据进行细致入微的分析。如果你将它们从宇宙各个角落收集起来，然后去掉其中嘈杂的噪声，你就会得到随机引力波背景，一个引力波的全空间地图。你将会写下宇宙学的崭新篇章。