引力波

2016年2月11日，農(nóng)歷正月初五，正當(dāng)中國人還在歡歡喜喜過大年時，太平洋彼岸傳來一個重磅級消息——美國國家科學(xué)基金會在華盛頓特區(qū)的國家媒體中心宣布：人類首次直接探測到了引力波！一瞬間，“引力波”作為一個陌生而又新鮮的詞匯，登上了全球各大媒體的頭條。

作為普通大眾，我們在被社交媒體上的“引力波”刷屏的同時，很少有人知道，引力波到底是什么，為什么耗費(fèi)巨資才能探測到它？引力波又能給我們帶來什么呢？下面，就讓本極客帶大伙去了解一下。

它是怎么來的

我們都聽說過愛因斯坦的廣義相對論，但很少有人去了解這個理論的內(nèi)容。對我們而言，它實(shí)在高深莫測，無法理解，比如它對引力的定義。

在愛因斯坦看來，引力是時空的彎曲造成的。

“時空彎曲是啥意思？”相信大多數(shù)人在聽到這個說法的時候，都有這樣的疑問。從字面上理解，我們平時看到的時空貌似是正常的，但真實(shí)情況是，它是一個扭曲的世界。這種扭曲是物質(zhì)造成的，物體的質(zhì)量越大，扭曲程度就越大。

舉個例子：我們把宇宙想象成一個床墊，如果沒有任何干擾，它是平坦的。當(dāng)有質(zhì)量的物體出現(xiàn)時，比如在上面放一本《少年博覽》，或者讓一個孩子站在上面，床墊表面就發(fā)生了彎曲。物體越重，床墊的表面就彎曲得越厲害。這個現(xiàn)象告訴我們，具有一定質(zhì)量的物體，周圍空間會如蹦床一樣發(fā)生彎曲。因此，太陽、地球、月球等星體的周圍都存在著時空彎曲的現(xiàn)象。

這就是廣義相對論所要闡述的原理。

不過，這種彎曲對于生活在蹦床上的微小生物而言，比如我們?nèi)祟悾俏⒉蛔愕赖摹Ｒ驗(yàn)槲覀兏矇|一起彎曲了，而且這種彎曲程度太微小，人類無法感知。但如果床墊上的物體發(fā)生了變化——《少年博覽》被拿走了，或者孩子不停地蹦跳——床墊就會產(chǎn)生震動，并像漣漪一樣傳播開，這種震動引發(fā)的漣漪就是引力波。

大“圓規(guī)”丈量宇宙

如果你看懂了上面的文字，就會知道引力波是無處不在的，因?yàn)橛钪嬷械奈矬w處在不斷運(yùn)動中，只不過我們感覺不到罷了。

在普通人看來，了解引力波沒有多大意義，頂多是學(xué)習(xí)了一個新名詞，但科學(xué)家不這么想。他們需要發(fā)現(xiàn)和找到這種震動，來證明自己確實(shí)讀懂了宇宙。他們還希望通過對引力波的研究，把宇宙的前世今生了解得更加清楚、更加透徹。

引力波的能量通常都很低，如地球圍繞太陽運(yùn)行時，發(fā)出的引力波功率僅為200瓦。在宇宙中，只有大質(zhì)量天體的加速、碰撞和合并才會形成強(qiáng)大的引力波。但由于波源距離我們遙遠(yuǎn)，引力波傳播到地球時，已經(jīng)變得非常微弱，只有用超高靈敏度的儀器才能進(jìn)行探測。

于是，科學(xué)家們在地球上建了一大堆探測器，其中，就包括這次發(fā)現(xiàn)引力波的LIGO。LIGO是“激光干涉引力波天文臺”的英文縮寫，由美國麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在1991年聯(lián)合建造。美國國家科學(xué)基金會為該項(xiàng)目投入了大筆資金，據(jù)說到目前為止，已耗費(fèi)了幾十億美元。LIGO建成后，從高空俯瞰，就好像放在地面上的一個大圓規(guī)。一開始，它并沒有什么作為，經(jīng)過數(shù)次耗資不菲的改造后，LIGO才終于帶來了好消息。這次觀測到引力波，應(yīng)該歸功于LIGO設(shè)在美國東西海岸的兩個引力波探測器。

LIGO如何抓住引力波

LIGO的主要部分是兩根互相垂直的不銹鋼真空管道，每根管道長4000米，直徑1.2米，終端設(shè)有反射鏡。在“圓規(guī)”兩根管道的交匯處，設(shè)有激光發(fā)射器，同時向管道內(nèi)部發(fā)射激光束。激光束被管道終端的鏡面反射后，回到出發(fā)點(diǎn)，然后再反射到終端鏡面。

就這樣，激光束在真空管中來回反射，如果有引力波通過，便會引起時空變形，兩根管道內(nèi)激光返回的時間就存在細(xì)微差別，從而被儀器記錄下來。

如果你對上面的原理不太理解，那讓我們打個比方吧。在兩條長度一樣的跑道（真空管道）上，各有一位運(yùn)動員（激光束）在往返跑。通常情況下，他們的跑步速度是一樣的。但是，如果跑道因?yàn)橐Σǖ臄_動，長度發(fā)生了變化，他們跑回來的時間就有了一丁點(diǎn)兒差別。于是我們就知道，空間確實(shí)在震動。

然而，要抓住震動并不容易。首先，這種震動太小了，也許4000米只會發(fā)生0.000000000000000001米的變化。雖然“圓規(guī)”腿已經(jīng)很長了，也只能讓我們勉強(qiáng)感覺到兩位運(yùn)動員，也就是激光束回來的差異。其次，我們不能讓諸如跺腳、打噴嚏或是地震影響到觀測，所以要用各種設(shè)備讓這兩根管道保持穩(wěn)定。

為了減少不確定性的誤差，科學(xué)家在華盛頓州利文斯頓和新澤西州漢福德同時建造了兩個完全相同的探測器，彼此相距3000千米。只有當(dāng)兩個探測器同時檢測到相同的信號，才有可能是引力波。

至少在出現(xiàn)震動時，我們能判斷出，這不是科研人員絕望情況下掀桌子引起的。

引力波能帶來什么

如果愛因斯坦知道引力波被發(fā)現(xiàn)了，一定會高興地蹦起來，因?yàn)檫@證明了他的腦瓜比其他人聰明。他想出來的東西，人們花了大把鈔票，辛苦了數(shù)十年，總算看到了。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要好看，因?yàn)樗N(yùn)含的劇情里，有宇宙誕生的畫面。

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，在時空之初，這個大床墊有一次最劇烈的震動，而引力波能讓我們還原這個震動——它是否存在，有多大規(guī)模？

除此之外，引力波還能讓我們知道宇宙空間在發(fā)生什么。據(jù)科學(xué)家說，這次的引力波就是在我們看不到的超遠(yuǎn)距離上，兩個大黑洞合并引發(fā)的——這兩個黑洞的初始質(zhì)量分別為29顆太陽和36顆太陽，它們合并成了一個有62倍太陽質(zhì)量，且高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，并把強(qiáng)大的引力波釋放到宇宙空間，經(jīng)過13億年的漫長旅行，終于抵達(dá)了地球。

可以假設(shè)，若在很遠(yuǎn)的星系，一個文明被毀滅了，我們就能通過引力波第一時間知道。也就是說，引力波能為我們揭開宇宙里的很多秘密，這就是科學(xué)家對它如此感興趣的原因。