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五個(gè)問題解說引力波

美國(guó)“激光干涉儀引力波觀測(cè)臺(tái)”（LIGO）執(zhí)行主任戴維·賴茨在華盛頓舉行的記者會(huì)上宣布，科學(xué)家首次探測(cè)到被科學(xué)界期待已久的、由愛因斯坦提出的引力波的存在。

什么是引力波？

引力波是在空間-時(shí)間組織中發(fā)生的微小波動(dòng)。設(shè)想一下，宇宙如同一張蹦床。如果我們向宇宙中丟入一根羽毛，什么也不會(huì)發(fā)生。但是如果我們丟入一個(gè)籃球，這個(gè)組織就會(huì)在重量之下發(fā)生彎曲變形，而且籃球越大，變形的幅度也就越大。用愛因斯坦的廣義相對(duì)論說，由于物質(zhì)的存在，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲。但是，這種波動(dòng)和變形并非永遠(yuǎn)留在物體附近，而是有可能通過宇宙向外傳播，就像地震產(chǎn)生的地震波。這就是引力波。不同于地震波的是，引力波可以以光速在空蕩蕩的空間中旅行穿梭。

為什么發(fā)現(xiàn)引力波如此重要？

100年前，愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，但同時(shí)認(rèn)為引力波本身十分微弱，因此幾乎不可能被發(fā)現(xiàn)。從那時(shí)起，全世界的科學(xué)家都在試圖與引力波來一場(chǎng)“不期而遇”。發(fā)現(xiàn)引力波有助于探測(cè)到宇宙中發(fā)生的爆炸性大事件，比如黑洞融合、中子星事件、超新星爆炸，甚至是138億年前導(dǎo)致宇宙誕生的大爆炸。此外，引力波的出現(xiàn)有可能促使天文學(xué)進(jìn)入新的時(shí)代，它攜帶著不同于光和電磁輻射等方式傳遞過來的有關(guān)遙遠(yuǎn)天體的信息。

什么引發(fā)了引力波？

引力波是由運(yùn)動(dòng)中的物質(zhì)創(chuàng)造的。但是，引力是四種基本相互作用中最弱的，因此它產(chǎn)生的波動(dòng)極其微弱。物理學(xué)家認(rèn)為，其振幅之小至多相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子直徑的千分之一。如此小力量的波動(dòng)只能由處在高速運(yùn)動(dòng)中的龐大體系引發(fā)，如處在軌道上的即將合二為一的兩個(gè)黑洞。由于這樣的體系十分罕見，與我們的距離要以光年計(jì)算，所以對(duì)引力波的搜尋一直瞄準(zhǔn)的是來自宇宙深處的能量最強(qiáng)大的天體系統(tǒng)所產(chǎn)生的微小影響。

LIGO如何發(fā)現(xiàn)了引力波？

“激光干涉儀引力波觀測(cè)臺(tái)”由兩個(gè)孿生探測(cè)器組成，這兩個(gè)引力波探測(cè)器分別位于路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德。它們的任務(wù)是搜集通過引力波傳送到地球的微小時(shí)空運(yùn)動(dòng)。每個(gè)探測(cè)器都有長(zhǎng)達(dá)4公里的呈L形的測(cè)量臂。如果一股引力波通過探測(cè)系統(tǒng)，它通過激光束的距離會(huì)發(fā)生微小的變化。如果LIGO捕捉到了這種差異，便表明探測(cè)到了引力波。

由于具備兩個(gè)孿生裝置，LIGO可以最大限度地排除地面干擾，比如交通或地震產(chǎn)生的干擾。引力波探測(cè)器世界各地都有，包括位于意大利的“先進(jìn)的處女座”引力波探測(cè)器、德國(guó)的GEO引力波探測(cè)器和日本的TAMA引力波探測(cè)器等。

之前沒有發(fā)現(xiàn)過嗎？

2014年3月，美國(guó)哈佛——史密森天體物理學(xué)中心的物理學(xué)家宣布首次探測(cè)到來自宇宙大爆炸的引力波。這一發(fā)現(xiàn)被視作21世紀(jì)的偉大發(fā)現(xiàn)，如果獲得證實(shí)幾乎可以肯定獲得下一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而，時(shí)隔不久對(duì)這一發(fā)現(xiàn)的質(zhì)疑和否認(rèn)之聲便紛紛出現(xiàn)。研究人員對(duì)歐洲航天局“普朗克”號(hào)探測(cè)器和位于南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析后證實(shí)，并沒有結(jié)論性證據(jù)支持這一發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)家將引力波與銀河系中可以產(chǎn)生類似效果的星際塵埃混為一談。