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        讓物理學(xué)界沸騰的引力波

        2016-05-14 06:40:08霍光
        初中生世界·八年級 2016年5期

        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,終于被探測到了!

        作為普通大眾,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:引力波到底是什么?為什么探測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憑直覺無法理解的。比如這一項——引力的定義。

        在廣義相對論中,引力被解釋為時空的彎曲。

        “時空彎曲是什么?”相信大多數(shù)人聽說之后都是這個反應(yīng)。它的意思是,我們平時感知的空間貌似是平直的,但真實的情況中,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,比如一個雞蛋、來游樂場的小孩子,或者是地球這樣的龐然大物,它就會變得彎曲。

        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,我們完全感覺不到。

        但如果這個大質(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——蹦床就會開始震動,這種震動就是引力波。當(dāng)然,跟著一起震動的我們感覺不到它在震動。

        用圓規(guī)丈量宇宙

        對于不喜歡睡眠被地震打擾的人來說,感受不到宇宙的震動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,來證明自己確實了解宇宙。他們還希望通過對震動的研究,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并不像財神,相反,這個美國國家科學(xué)基金會(NSF)資助的項目前前后后已經(jīng)花去了數(shù)十億美元。

        LIGO的原理是什么?假設(shè)我們有兩個短跑運(yùn)動員,他們在任何情況下跑步速度都一樣,那么,如果跑道因為引力波擾動,長度發(fā)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產(chǎn)生些微的差異。由此,我們就知道,時空確實在震動。

        然而,這并不是那么簡單的。

        第一,震動太小了,也許4000米只會發(fā)生0.000000000000000001米(數(shù)了一下,小數(shù)點后應(yīng)該有17個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,所以要用各種設(shè)備讓兩條腿保持穩(wěn)定。同時,我們還要在很遠(yuǎn)的地方再建一個探測器,如果兩個都震了,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器,這次探測成功的LIGO在美洲東西海岸各有一個探測基地。

        1991年,麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會(NSF)的資助下,開始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺”(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

        對于大眾來說,或許會質(zhì)疑,花費(fèi)這么多美元——教育家會計算能建多少學(xué)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(xué)家來說,他們會覺得,這不但值回票價,而且就像是免費(fèi)的一樣。

        聽到這個消息,愛因斯坦當(dāng)然會高興,因為這證明了他那不像普通人類的腦袋瓜又對了,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,因為它蘊(yùn)含的劇情,是宇宙誕生的畫面。

        我們從小就被告知了一個最著名的猜想——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(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遠(yuǎn)的地方,由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(yuǎn)的星系一個文明被更高階的文明毀滅了,我們能夠第一時間通過引力波知道這件事。

        (選自2016年第6期《讀者》)

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