引力波：這一刻，聽見宇宙，看見宇宙

陳玉瑩

今年的奧斯卡頒獎(jiǎng)典禮上，萬年陪跑的萊昂納多·迪卡普里奧終于捧得了小金人?；仡櫺±钭拥慕?jīng)典之作，《泰坦尼克號(hào)》自然少不了。窮畫家杰克和貴族少女露絲不顧世俗的偏見彼此相愛，他們?cè)诖^擁抱，在房間作畫，在下等艙共舞……

暫停一下?？吹剿麄冃D(zhuǎn)跳舞的場(chǎng)景，你會(huì)想到什么呢？

普通青年：美好得不像話的愛情！

物理專業(yè)的青年：嗯，微不足道的引力波……

咦，同學(xué)，這話怎么說？

2016年2月11日，美國科研人員宣布他們利用激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到了引力波的存在。兩個(gè)黑洞在約13億年前碰撞，兩個(gè)巨大質(zhì)量的物體結(jié)合所傳送出的擾動(dòng)，最終于2015年9月14日抵達(dá)地球并被檢測(cè)到。聽到這個(gè)消息，我們仿佛能看到那個(gè)名叫愛因斯坦的小老頭眨巴著眼睛說：“嘿，我在100年前的預(yù)測(cè)說得沒錯(cuò)吧？”

讓我們來想象一下吧。想象時(shí)空是一塊巨大的、緊繃的毯子。放上任何一個(gè)有質(zhì)量的物體，都會(huì)讓毯子下凹，即讓毯子表面發(fā)生彎曲。苗條的白雪公主站上去，產(chǎn)生小彎曲；敦實(shí)的豬八戒站上去，產(chǎn)生大彎曲。

同理，如果把時(shí)空想象成湖面，一個(gè)皮球放在湖面上，會(huì)讓水面凹陷、彎曲。如果球是靜止的，那么湖面也是靜止的；如果球是運(yùn)動(dòng)的，那么湖面會(huì)泛起陣陣漣漪。質(zhì)量越大，運(yùn)動(dòng)越快，漣漪也越大，這就是引力波。

有質(zhì)量的物體使它周圍的時(shí)空發(fā)生扭曲，物體的質(zhì)量越大，時(shí)空就扭曲得越厲害。這是愛因斯坦廣義相對(duì)論中關(guān)于引力波的最簡單的論述。

這一次LIGO團(tuán)隊(duì)所說的引力波是兩個(gè)球在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的引力波，它們長這樣（見上面大圖）。兩個(gè)黑洞“旋轉(zhuǎn)”跳舞會(huì)產(chǎn)生引力波，兩個(gè)人“旋轉(zhuǎn)”跳舞也會(huì)產(chǎn)生引力波，所以學(xué)物理的學(xué)生一不小心就會(huì)用錯(cuò)誤的打開方式觀看浪漫的愛情電影。不過，人們?cè)谔钑r(shí)產(chǎn)生的引力波微乎其微，只有質(zhì)量很大的物體產(chǎn)生的引力波才有可能被探測(cè)到，因而兩個(gè)人產(chǎn)生的引力波實(shí)際上是沒法探測(cè)到的。

到這里，我們已經(jīng)可以概括出探測(cè)到引力波的基本條件：

（1）兩個(gè)質(zhì)量非常非常大的物體。

（2）它們非常非?？斓叵鄬?duì)旋轉(zhuǎn)。

（3）用比較厲害的探測(cè)方法。

那么，這次我們探測(cè)到的是什么呢？

一個(gè)是29倍太陽質(zhì)量的黑洞。

一個(gè)是36倍太陽質(zhì)量的黑洞。

它們靠近、碰撞、并合得到了62倍太陽質(zhì)量的如下圖豬鼻子一樣的玩意兒。這就滿足了前兩個(gè)條件。

但是，小學(xué)數(shù)學(xué)老師教過我們，36+29=65，剩下的3倍太陽質(zhì)量去哪兒了呢？

以引力波的形式輻射出來了！

當(dāng)引力波穿行時(shí)，它會(huì)拉伸或者擠壓任何途中遇到的物體，不過這個(gè)拉伸或者擠壓產(chǎn)生的能量是非常微小的，最多大概只有10-21m。我們平時(shí)使用的尺子最小的刻量也才1mm，也就是10-3m，肯定無法探測(cè)到，所以我們得用上“光速”這把尺子。

我們的測(cè)量設(shè)備是一個(gè)巨大的“L”形，有兩個(gè)互相垂直并保持超真空狀態(tài)的空心圓柱體作為兩個(gè)測(cè)量臂（如右上圖）。兩臂的盡頭，我們可以理解為一面鏡子，激光發(fā)射然后反射回來，通過激光在測(cè)量臂中經(jīng)過的時(shí)間，就可以測(cè)出兩臂的長度。

仔細(xì)觀察右上兩幅圖中藍(lán)色線條方塊的變化。引力波的漣漪中，時(shí)空不停地被壓縮，變成又高又瘦，然后被拉伸，變成又矮又胖。隨著這種時(shí)空畸變，控測(cè)器的雙臂也在不停地被擠壓或拉伸，而這個(gè)變化，被LIGO團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到了。

探測(cè)出引力波，意義究竟是什么呢？

如果說地球是一個(gè)失聰?shù)娜?，那么這一刻它終于聽到宇宙說話了；如果說地球是一個(gè)失明的人，那么這一刻它終于看見宇宙了。

現(xiàn)在，我們可以用引力波，來觀測(cè)用肉眼、望遠(yuǎn)鏡或電磁波都無法看到的黑洞，還有占了宇宙質(zhì)量95.1%的暗物質(zhì)和暗能量。

同時(shí)，引力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論的最后一個(gè)重要部分。引力波被探測(cè)出來之后，廣義相對(duì)論的最后一部分也被證實(shí)了。

最后，引力波也許能讓科幻電影中經(jīng)常出現(xiàn)的時(shí)間旅行成為可能。宇宙中已知的四種基本力包括強(qiáng)力、弱力、電磁力和引力。前三種力都存在于我們熟悉的三維世界中，而引力波存在于時(shí)空中，即四維世界，它是唯一能跨越不同維度的作用力。也就是說，它能影響三維世界存在的第四維——時(shí)間。通過研究引力波，或許有朝一日，我們真的可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行。