量子力学的伟大先驱狄拉克说过：“广义相对论也许是人类曾经作出过的最伟大的科学发现。”这是真正原创性的理论，是科学理性威力的强有力的证明，爱因斯坦自己也对这项成就充满自豪：“要是没有狭义相对论，总有一天也会有别人来发现它；但是我认为，广义相对论的情况不是这样。”科学的事业是理性的事业，无论这一结论在科学哲学上存在多少争议，但爱因斯坦无疑是拥有最高科学理性的人，而引力波正是这位科学巨匠最辉煌的理性成果。
还在爱因斯坦生前，广义相对论的三大实验预测—水星近日点的进动，光线在强引力场中的弯曲和引力红移都已经得到观测结果的证实。唯有引力波的预言，此前只有间接的观测验证，却始终没有直接在地球上被探测到。
现代科学哲学的一个普遍的共识是观察荷载理论，如萨普所说：“人们在审视同一现象的时候，依凭不同的理论就会观察到不同的事物。”（摘自F.Suppe： The Structure of Scientific Theories）这是对理性在科学中地位的新认识。理论始终是实验的先导和指导，如波普尔所说：“理论支配着实验工作，从它开始计划一直到在实验室里最后完成。”（摘自波普尔《科学发现的逻辑》）
引力波探测之所以经历整整100年的漫长岁月，这是由引力辐射的特殊物理性质决定的。温伯格说，“在普通原子过程中产生的引力辐射数量极微”（摘自S·温伯格《引力论和宇宙论》），例如太阳以引力波形式所辐射的功率要比电磁波小1023到1024倍，仅约为1瓩。正像苏联物理学家福克所指出的：“在所有讨论当中，除了纯理论的讨论而外，引力波的作用是完全可以忽略不计的。”（摘自В·А·福克《时间、空间和引力的理论》）所以，探测引力波的实验能否成功，关键在于应对引力辐射微弱这一客观矛盾，找到合理的实验设计思路。
引力波探测的理论根据是爱因斯坦提出的基本思路—“引力波的能量可以在怎样的程度上传递给力学体系”。爱因斯坦肯定“起作用的波是一个传递能量的波”（摘自《爱因斯坦文集》），而来自引力波的能量增量是可以根据引力波方程计算出来的，如果所设计的观测仪能够测出来自辐射源的引力波所造成的物理效应的量值，比较二者的拟合程度，就可以成功地检测到引力波了。
引力波探测实验明显地遵循两个思路。
第一个设计思路是韦伯在1960年做出的，他在当年美国《物理评论》第117期上撰文称探测到了引力波。韦伯装置的原理是，使用具有自然振动的、自由模式力学系统的共振四极天线，当引力波频率与该系统一致时，发生共振产生电压信号。由于谐振子发出引力辐射的损失率依赖于截面的量级即天线的总尺寸，而韦伯装置已经是一个长153cm，重1.4×106g的铝柱，体积的增大显然是有限度的。而且，这一装置不能通过调谐使任何引力波频率与之一致而产生共振。当时已有众多研究机构（至少有12个以上）致力于同样的探测，却均无果而终。1973年4月27日在牛津都灵学院的相对论讨论会上，格拉斯哥大学的德雷福尔指出：“其他观测者发现，要重复韦伯的结果是很困难的。”英国《自然》杂志记者对这次会议所作报道的标题就是—再见，韦伯的引力波。（摘自《科学与哲学》研究资料）1974年，在麻省理工学院召开的第五次相对论讨论会上，加温和道格拉斯指出，韦伯误判为引力波的信号是噪声。
第二个设计思路是遵循迈克尔逊干涉仪的原理。1887年，迈克尔逊和莫雷用光学干涉仪检测以太，假定确有以太存在，那么存在同一光源发出的光信号，在沿地球前进的方向发出并反射回来的时间，一定会大于沿垂直方向发出的光信号往返的时间，这一光程差会通过干涉条纹的变化显示出来。这一实验的零结果证伪了以太的存在，为电磁波传播速度即光速的不变性提供了有力的实验证据。如果做一类比，引力波是否存在就像以太是否存在一样，应当可以通过对引力辐射信号造成的影响来进行检测。按照这一思路设计的LIGO（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，激光干涉引力波探测仪）， 设计了激光通过的L型垂直双臂，让从激光器发出激光，分成强度相等的稳定的单色频率激光束分别进入两个长臂，如果引力波从垂直方向进入，就会造成一臂拉长、一臂缩短的变化，产生光程差，引起干涉条纹的变化。因此，只要观察到这样的光学效应，就可以根据频谱曲线和理论计算结果的拟合程度，确定引力波的存在。
科学实验要求遵循可重复性、对照性、随机性等原则，LIGO的引力波探测根据这些基本的原则，已经和正在经受进一步的检验。这次引力波探测设置了汉福德和利文斯顿两个LIGO激光干涉仪；事件发生后0.4秒，费米太空望远镜观测到来自双黑洞系统的伽马射线暴；经测算GW150914的误警报率强度是20万年1次。当然，可证伪性是科学理性的硬标准，GW150914仍然不能说是定论，还有许多可以质疑之点，整个科学界还要进行进一步的检验。但是，这毕竟是跨度长达半个世纪的严格的科学活动，是闪耀着理性光辉的科学创造性行为。
科学事业既是理性的，又是理想的。
引力波探测旷日持久，耗资巨大，而且至少在可以预见的将来看不到直接的物质利益。这一设计最初是1960年代由美国休斯实验室的福沃德首先提出的，1972年麻省理工学院的韦斯提出了LIGO的最初构想；索恩说服了加州理工学院支持LIGO，原在格拉斯哥大学工作的德雷弗也参加进来；1991年得到美国科学基金会的支持开始建设LIGO，直到2015年9月14日才成功探测到了引力波GW150914，前后历时近半个世纪，可谓旷日持久。这一项目技术要求极高，其精确度相当于地月距离误差仅为原子半径大小，所用反射镜的亮度达到300万个光子入射仅1个光子反射出来，而距离4km的长臂在引力波入射时距离变化是10-18m，激光通过的空腔真空度为万分之一大气压。所以参与工作的一位科学家说LIGO是“世界上最精密的测量仪器”。这样的工程需要庞大的资金投入，据估算总投资高达6.2亿美元（相比之下，我国阿里的原初引力波探测项目总投资仅6900万美元）。GW150914的引力波探测有100多所高校参与其中，工程设计建造，仪器操作维护，数据搜集分析等项工作动员了1000多名专业人员。显然，引力波探测是典型的大科学工程。问题是，虽然从减震、激光和极低噪声等项技术说，LIGO会带来一些附加的实际效益，但从该项目本身说，至少在相当长的时间内不会带来任何经济效益。
既然如此，为什么还要做这种徒劳无益、劳民伤财的事情呢？当然，从功利主义的角度说，基础科学的重大进展最终会成为新技术革命的基础，是产业革命的根本动力。但是，对科学家来说，功利目标却不是基础研究的直接动机。爱因斯坦在纪念普朗克60岁生日的讲话《探索的动机》中说：“渴望看到这种先定的和谐，是无穷的毅力和耐心的源泉”（摘自《爱因斯坦文集》），他断言：“科学探索的发展主要在于满足对纯粹知识的渴求。”（摘自《爱因斯坦语录》）那些孜孜以求忘我投身引力波探测的学者，身上流着的正是爱因斯坦的血液。
韦伯早在1959年就提出探测引力波的设想，那时没有任何相关实验装置的资料可供参考，完全是白手起家。到1967年，他经过整整两年的观测得到1657赫兹的10个事件，可谓千辛万苦。他同时还设计了一种特别精细的重力仪，进行噪声输出研究，在两个相距1000公里的共同装置上，在0.4秒的分辨时间里同时记录到17个共同激发事件。但是，主要由于设计方案和技术水平的限制，韦伯的实验以失败告终。尽管如此，韦伯这种荜路蓝缕、坚持不懈的探求，成了引力波探测史上悲剧性的开篇。WG150914的成功正值韦伯初次用实验在地球上直接探测引力波50周年，索恩高度评价这位先驱者说：“他是这一领域真正的父辈先驱。”在新闻发布会上，有记者问韦伯的第二任妻子特林布尔，她的丈夫是否真的看到了引力波，她回答说：“我不知道，但是我认为，有两种技术向前推进，相互促进，作为合作者而不是对手，就会更快地完成（引力波的）探测。”（摘自Remembering， JosephWeber：the Controversial Pioneer of Gravitational Wave）
从总体上说，WG150914的成功体现了科学社会学家默顿所说的科学的精神气质，首先是科学的无私利性。从宏观上说，美国国家科学基金会对待基础科学的原则是“重申请，轻完成”，80%的精力致力于立项和审核，只有20%的精力去管理项目。作为项目主要依托单位的加州理工学院和麻省理工学院，都特别偏重科研和学术，重视基础科学工作；从学术氛围说，两个学校都反对急功近利，支持原创性，鼓励“有完全自由乐趣的思考”；对待科学人才的评价重在研究经历、才能和潜力，不计较与学术无关的社会方面的“短板”，所以被称作“呆子的天堂”。两所院校研究团队也有许多恩怨摩擦，但是终究能够放下一切嫌隙，精诚合作。天才的理论物理学家索恩和卓越的实验物理学家韦斯紧密配合，使不同类型的科学精英人尽其才，带领一批有理想有才能的学术精英，组合成一个充满创造力的科学共同体，其精神支柱就是揭开引力波之谜这个崇高的科学理想。
当然，美国也不是理想的科学净土。诺贝尔奖得主科恩伯格曾慨叹，在美国科学界缺乏“对从事基础研究抱有浓厚的和主动的兴趣的人”，很多人是以财源是否茂盛来选择他们的兴趣中心。（摘自G·拜林斯基《美国科学研究存在的问题》）这也许是市场经济下基础科学研究面临的普遍问题。科学不是存在于真空之中，它总要受到各种社会利益需求的制约。科学哲学家基彻尔提出“良序科学”（Well-order Science）的概念，认为现实的科学决策是追求客观真理的理想和公私利益的需求之间的合理统一。（摘自Philip Kitcher： Science， Truth and Democracy）但是，对纯科学（基础科学）来说，放在第一位的永远是对真理的追求。引力波探测的过程正凸显了科学作为追求真理的事业这一本性。爱因斯坦说过：“人们对于他们直接需要范围以外的东西，一般是看不到的。对于直接生产物质财富的工作，他们才愿意付出代价。但是科学，如果要繁荣，就不应当有实用的目的。作为一个普遍的规律，科学所创造的知识和方法只是间接地有助于实用的目的，而且在很多情况下，还要等几代以后才见效。”（摘自《爱因斯坦文集》）当前，基础科学的发展已经成为制约中国科技进步的最大瓶颈，也许引力波探测的成功带给我们深层启示，正是在于如何坚持科学的理性和科学的理想。
（作者为哈尔滨师范大学教授）
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