讓物理學界沸騰的引力波

霍光

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讓物理學界沸騰的引力波

霍光

2016年2月12日，全世界的物理學界都沸騰了——百年前已經被預言的引力波，終于被探測到了！

作為普通大眾，我們在被各種社交媒體刷屏的“引力波”洗腦的同時，卻很少有人知道：引力波到底是什么？為什么探測到它需要百年的努力？它又能給世界帶來什么？

宇宙大蹦床

很多人聽說過愛因斯坦的廣義相對論，但并不知道它講了什么。事實上，廣義相對論的很多推論是人們憑直覺無法理解的。比如這一項——引力的定義。

在廣義相對論中，引力被解釋為時空的彎曲。

“時空彎曲是什么？”相信大多數人聽說之后都是這個反應。它的意思是，我們平時感知的空間貌似是平直的，但真實的情況中，卻是像在哈哈鏡里一樣，是彎曲的。這種彎曲是物質造成的，質量越大，造成的彎曲就越大。

我們可以把宇宙想象成一個蹦床，如果沒有任何干擾，它是平坦的。但當有質量的物體出現時，比如一個雞蛋、來游樂場的小孩子，或者是地球這樣的龐然大物，它就會變得彎曲。

這種彎曲，對于生活在蹦床上的微小生物——人類來說，一是由于我們跟著蹦床一起彎曲了，二是由于這種彎曲太微小，我們完全感覺不到。

但如果這個大質量物體發生變化——雞蛋被吃了、小孩子蹦走了，或者地球爆炸了——蹦床就會開始震動，這種震動就是引力波。當然，跟著一起震動的我們感覺不到它在震動。

用圓規丈量宇宙

對于不喜歡睡眠被地震打擾的人來說，感受不到宇宙的震動是多么幸福的一件事。

但物理學家可不這么想，他們急需感覺到震動，來證明自己確實了解宇宙。他們還希望通過對震動的研究，將宇宙了解得更透徹。于是，他們發明了世界上最大和最貴的——圓規，或許很像，但他們把它叫作邁克爾遜干涉儀，或是LIGO。

在大年初五帶來引力波消息的LIGO并不像財神，相反，這個美國國家科學基金會（NSF）資助的項目前前后后已經花去了數十億美元。

LIGO的原理是什么？假設我們有兩個短跑運動員，他們在任何情況下跑步速度都一樣，那么，如果跑道因為引力波擾動，長度發生了變化——就像蹦床表面會因受力，在一個方向上拉伸一樣，他們從LIGO的兩條腿上跑回來的時間就會產生些微的差異。由此，我們就知道，時空確實在震動。

然而，這并不是那么簡單的。

第一，震動太小了，也許4000米只會發生0.000000000000000001米（數了一下，小數點后應該有17個0）的變化。雖然圓規腿已經很長了，這也只是勉強能讓我們感覺到兩側“運動員”，也就是激光返回速度的差異。

第二，我們不能讓諸如跺腳、打噴嚏或是地震之類的干擾影響我們的觀測，所以要用各種設備讓兩條腿保持穩定。同時，我們還要在很遠的地方再建一個探測器，如果兩個都震了，我們就知道這不是科研人員在絕望的情況下掀桌子引起的。

物理學家在地球上建了一大堆探測器，這次探測成功的LIGO在美洲東西海岸各有一個探測基地。

1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，開始聯合建設“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）。不過，LIGO建成后一開始并沒有什么作為，經過數次耗資不菲的改造，LIGO總算帶來了好消息。

引力波能帶來什么

對于大眾來說，或許會質疑，花費這么多美元——教育家會計算能建多少學校，貧困國家會計算能買多少糧食，諸如此類——去探索引力波有何意義。

但對瘋狂的物理學家來說，他們會覺得，這不但值回票價，而且就像是免費的一樣。

聽到這個消息，愛因斯坦當然會高興，因為這證明了他那不像普通人類的腦袋瓜又對了，他猜想出的東西，人們花了大把鈔票辛苦了數十年，總算看到了。不過，其他物理學家呢？對他們來說，這輕輕的一震，比《美人魚》《星球大戰》乃至人類史上所有的電影加起來都好看，因為它蘊含的劇情，是宇宙誕生的畫面。

我們從小就被告知了一個最著名的猜想——宇宙是在一場爆炸中誕生的。這意味著，在時空開始時，這個大蹦床有一次最劇烈的震動。引力波能讓我們還原這個震動——它是否存在，有多大規模，等等。

引力波還能讓我們知道，我們看不到的宇宙空間在發生什么。據科學家說，這次的引力波就是在距離我們超級遠的地方，由我們看不到的超級大的黑洞的變化引起的。

如果你是《三體》迷，你就可以理解，如果在很遠的星系一個文明被更高階的文明毀滅了，我們能夠第一時間通過引力波知道這件事。

（選自2016年第6期《讀者》）

責任編輯：郭天虹

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