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科普 | 什麽是引力波?它為什麽會讓物理學家痛哭流涕?

來源: http://www.yicai.com/news/2016/02/4749011.html

科普 | 什麽是引力波?它為什麽會讓物理學家痛哭流涕?

一財網 霍光 2016-02-12 23:17:00

作為一個普通大眾,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,引力波到底是什麽?為什麽探測到它需要百年努力?它又能給世界帶來什麽?

“破五”是中國傳統迎財神的日子。但2016年的這一天,不僅中國,全世界的物理學界都沸騰了,仿佛迎來了它們的“財神”——被預言已經百年的引力波,終於被探測到了。

據媒體報道,一位物理學家如此形容自己的心情:”堂堂男子漢很少哭,當時心中忽然暖流湧動,但還是強忍住沒哭。那是一種強烈的感動,感動到想哭的感覺。整個新聞發布會上,我一直強忍著。“

作為一個普通大眾,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,引力波到底是什麽?為什麽探測到它需要百年努力?它又能給世界帶來什麽?

宇宙大蹦床

很多人都聽說過愛因斯坦的廣義相對論,但並不知道它講了什麽。事實上,廣義相對論的很多推論是人們的直覺無法理解的。比如這一項——引力的定義。

在廣義相對論中,引力被歸咎與時空的彎曲。

”時空彎曲是什麽鬼?“相信大多數人聽說之後都是這個反應。它的意思是,我們平時看到的空間貌似是平直的,但真實的情況中,卻是像哈哈鏡里一樣扭曲的。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,來遊樂場的小孩子,或者是地球這樣的龐然大物,它就會變得彎曲。

大質量物體周圍空間會像蹦床一樣開始彎曲

可憐的是,這種彎曲,對於生活在蹦床上的微小生物——我說的就是人類這種生物——來說,一是由於我們跟著蹦床一起彎曲了,二是由於這種彎曲太微小,我們完全感覺不到這種彎曲。

如果只是彎曲還好。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也感覺不到它在震動。

如果地球消失了,周圍的空間就會開始震動,像漣漪一樣傳播開去

用圓規丈量宇宙

對於不喜歡睡眠被地震打擾的我來說,感受不到宇宙的震動是多麽幸福。但物理學家可不這麽想,他們急需感覺到震動,來證明自己確實讀懂了宇宙。他們還希望通過對震動的研究,來把宇宙讀得更懂。於是,他們發明了世界上最大和最貴的......圓規?或許很像,但他們把它叫做邁克耳遜幹涉儀,或是LIGO。

引力波探測器很像一個圓規,不過更為巨大

LIGO的“兩條腿”都有4000米長,最近的一次升級就花去了幾十億美元。

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

LIGO的原理是什麽?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,那麽,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些微的差異。我們就知道,空間確實在震動。

然而,這並不是那麽簡單的。最簡單的兩個原因——第一,震動太小了,也許4000米只會發生0.000000000000000001米(我幫你數好了,這里應該有17個0)的變化。雖然圓規腿已經這麽長了,這也這只是勉強能讓我們感覺到兩側運動員,也就是激光回來的差異。第二,我們不能讓諸如跺腳、打噴嚏或是地震影響我們的觀測,所以要用各種設備讓兩條腿穩定。同時,我們還要在很遠的地方再建一個,如果兩個都震了,我們就知道這不是科研人員絕望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。其中,這次成功的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“激光幹涉引力波天文臺”(LIGO)。不過,LIGO建成後一開始並沒有什麽作為,經過數次耗資不菲改造,LIGO總算帶來了好消息。

引力波能帶來什麽?

對於大眾來說,或許會懷疑花費這麽多美元——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,而且就像免費的一樣便宜。

愛因斯坦當然會高興聽到這個消息,因為這證明了他不像普通人類的腦袋瓜又對了,他想像出的東西,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?

對物理學家來說,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。

我們從小都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,在時空的開始時,這個大蹦床有一次最劇烈的震動。引力波就能讓我們還原這個震動——它是否存在,有多大規模,諸如此類。

除此之外,引力波還能讓我們知道,我們看不到的宇宙空間在發生什麽。據科學家說,這次的引力波就是我們看不到的超級遠的距離上,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高階文明炸掉了,我們能夠第一時間通過引力波知道這個事情是多麽重要。

編輯:邊長勇

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