霍光

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讓物理學(xué)界沸騰的引力波

霍光

2016年2月12日，全世界的物理學(xué)界都沸騰了——百年前已經(jīng)被預(yù)言的引力波，終于被探測(cè)到了！

作為普通大眾，我們?cè)诒桓鞣N社交媒體刷屏的“引力波”洗腦的同時(shí)，卻很少有人知道：引力波到底是什么？為什么探測(cè)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(duì)論，但并不知道它講了什么。事實(shí)上，廣義相對(duì)論的很多推論是人們憑直覺無法理解的。比如這一項(xiàng)——引力的定義。

在廣義相對(duì)論中，引力被解釋為時(shí)空的彎曲。

“時(shí)空彎曲是什么？”相信大多數(shù)人聽說之后都是這個(gè)反應(yīng)。它的意思是，我們平時(shí)感知的空間貌似是平直的，但真實(shí)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(zhì)造成的，質(zhì)量越大，造成的彎曲就越大。

我們可以把宇宙想象成一個(gè)蹦床，如果沒有任何干擾，它是平坦的。但當(dāng)有質(zhì)量的物體出現(xiàn)時(shí)，比如一個(gè)雞蛋、來游樂場(chǎng)的小孩子，或者是地球這樣的龐然大物，它就會(huì)變得彎曲。

這種彎曲，對(duì)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(gè)大質(zhì)量物體發(fā)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(huì)開始震動(dòng)，這種震動(dòng)就是引力波。當(dāng)然，跟著一起震動(dòng)的我們感覺不到它在震動(dòng)。

用圓規(guī)丈量宇宙

對(duì)于不喜歡睡眠被地震打擾的人來說，感受不到宇宙的震動(dòng)是多么幸福的一件事。

但物理學(xué)家可不這么想，他們急需感覺到震動(dòng)，來證明自己確實(shí)了解宇宙。他們還希望通過對(duì)震動(dòng)的研究，將宇宙了解得更透徹。于是，他們發(fā)明了世界上最大和最貴的——圓規(guī)，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(cái)神，相反，這個(gè)美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）資助的項(xiàng)目前前后后已經(jīng)花去了數(shù)十億美元。

LIGO的原理是什么？假設(shè)我們有兩個(gè)短跑運(yùn)動(dòng)員，他們?cè)谌魏吻闆r下跑步速度都一樣，那么，如果跑道因?yàn)橐Σ〝_動(dòng)，長度發(fā)生了變化——就像蹦床表面會(huì)因受力，在一個(gè)方向上拉伸一樣，他們從LIGO的兩條腿上跑回來的時(shí)間就會(huì)產(chǎn)生些微的差異。由此，我們就知道，時(shí)空確實(shí)在震動(dòng)。

然而，這并不是那么簡單的。

第一，震動(dòng)太小了，也許4000米只會(huì)發(fā)生0.000000000000000001米（數(shù)了一下，小數(shù)點(diǎn)后應(yīng)該有17個(gè)0）的變化。雖然圓規(guī)腿已經(jīng)很長了，這也只是勉強(qiáng)能讓我們感覺到兩側(cè)“運(yùn)動(dòng)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(cè)，所以要用各種設(shè)備讓兩條腿保持穩(wěn)定。同時(shí)，我們還要在很遠(yuǎn)的地方再建一個(gè)探測(cè)器，如果兩個(gè)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(xué)家在地球上建了一大堆探測(cè)器，這次探測(cè)成功的LIGO在美洲東西海岸各有一個(gè)探測(cè)基地。

1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）。不過，LIGO建成后一開始并沒有什么作為，經(jīng)過數(shù)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(duì)于大眾來說，或許會(huì)質(zhì)疑，花費(fèi)這么多美元——教育家會(huì)計(jì)算能建多少學(xué)校，貧困國家會(huì)計(jì)算能買多少糧食，諸如此類——去探索引力波有何意義。

但對(duì)瘋狂的物理學(xué)家來說，他們會(huì)覺得，這不但值回票價(jià)，而且就像是免費(fèi)的一樣。

聽到這個(gè)消息，愛因斯坦當(dāng)然會(huì)高興，因?yàn)檫@證明了他那不像普通人類的腦袋瓜又對(duì)了，他猜想出的東西，人們花了大把鈔票辛苦了數(shù)十年，總算看到了。不過，其他物理學(xué)家呢？對(duì)他們來說，這輕輕的一震，比《美人魚》《星球大戰(zhàn)》乃至人類史上所有的電影加起來都好看，因?yàn)樗N(yùn)含的劇情，是宇宙誕生的畫面。

我們從小就被告知了一個(gè)最著名的猜想——宇宙是在一場(chǎng)爆炸中誕生的。這意味著，在時(shí)空開始時(shí)，這個(gè)大蹦床有一次最劇烈的震動(dòng)。引力波能讓我們還原這個(gè)震動(dòng)——它是否存在，有多大規(guī)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(fā)生什么。據(jù)科學(xué)家說，這次的引力波就是在距離我們超級(jí)遠(yuǎn)的地方，由我們看不到的超級(jí)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(yuǎn)的星系一個(gè)文明被更高階的文明毀滅了，我們能夠第一時(shí)間通過引力波知道這件事。

（選自2016年第6期《讀者》）

責(zé)任編輯：郭天虹

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