趣說引力波

趣說引力波

2016年初的一天，全世界的物理學界都沸騰了，一位物理學家如此形容自己的心情：“那是一種強烈的感動，感動到想哭。整個新聞發布會上，我一直強忍著。”究竟發生了什么？原來，被預言已百年的引力波，終于在那一天被探測到了。

宇宙大蹦床

很多人都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靠直覺無法理解的，比如引力的定義。

在廣義相對論中，引力被歸咎于時空的彎曲。它的意思是，我們平時看到的空間貌似是平直的，但真實的情況卻是像哈哈鏡里一樣扭曲。這種扭曲是物質造成的，質量越大，扭曲就越大。

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

但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，以致我們完全感覺不到。

如果只是彎曲還好，但如果這個大質量物體發生變化（如雞蛋被吃了、小孩子蹦走了或地球爆炸了），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。

時空彎曲

用圓規丈量宇宙

對于不喜歡被打擾的人來說，感受不到宇宙的震動是幸福的，但物理學家可不這么想，他們急需感覺到震動，來證明自己確實讀懂了宇宙。于是，他們發明了世界上最大、最貴的圓規——邁克耳遜干涉儀（LIGO）。

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，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發生細微的差異。這樣我們就知道，空間確實在震動。

LIGO的“兩條腿”都有4000米長，最近的一次升級花費了幾十億美元。

然而，一切并非那么簡單。第一，震動太小了，也許4000米只會發生1-17米的變化。雖然圓規腿很長，也只能勉強讓我們感覺到兩側運動員（即激光）回來的時間差異。第二，我們不能讓諸如跺腳、打噴嚏或地震影響觀測，所以需要各種設備讓兩條腿穩定。同時，還要在很遠的地方再建一個同樣的裝置——只有兩個都震了，才知道這不是科研人員絕望時掀桌子引起的。

引力波能帶來什么

對物理學家來說，這輕輕的一震，比《美人魚》、《星球大戰》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，諸如此類。

此外，引力波還能告訴我們看不到的宇宙空間在發生什么。如果你是《三體》迷，你就可以理解，假如在很遠的星系一個文明被高階文明炸掉了，我們能第一時間通過引力波知道這件事情是多么重要。（據第一財經）

鏈接：悅讀引力波

除了劉慈欣的《三體》，還有哪些圖書中提及了引力波？

1.《抽屜里的青春》：作家吳巖的中短篇科幻小說集，其中《引力的深淵》非常前瞻性地將主題瞄準了引力波。

2.《星際穿越》：這本書并非同名電影的原著小說，而是由電影的科學顧問、天體物理學家基普·索恩執筆完成的科普讀物，旨在向讀者提供電影的相關背景知識，其中有一大段講述了引力波。

3.《宇宙之海的漣漪：引力波探測》：由澳大利亞作家大衛·布萊爾與杰夫·麥克納瑪拉合著。除了內容上的深入淺出，該書還用輕松的筆觸講述了引力波探索的各種逸聞趣事。

4.《愛因斯坦尚未完成的交響樂》：作者瑪西亞·芭楚莎將整個引力波探測的來龍去脈介紹得非常詳盡，讓讀者了解引力波學者是如何執著于升級引力波探測器原理、提高探測器靈敏度的。