2016年初的一天,全世界的物理學(xué)界都沸騰了,一位物理學(xué)家如此形容自己的心情:“那是一種強(qiáng)烈的感動(dòng),感動(dòng)到想哭。整個(gè)新聞發(fā)布會(huì)上,我一直強(qiáng)忍著。”究竟發(fā)生了什么?原來(lái),被預(yù)言已百年的引力波,終于在那一天被探測(cè)到了。
很多人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)愛(ài)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靠直覺(jué)無(wú)法理解的,比如引力的定義。
在廣義相對(duì)論中,引力被歸咎于時(shí)空的彎曲。它的意思是,我們平時(shí)看到的空間貌似是平直的,但真實(shí)的情況卻是像哈哈鏡里一樣扭曲。這種扭曲是物質(zhì)造成的,質(zhì)量越大,扭曲就越大。
我們可以把宇宙想象成一個(gè)蹦床,如果沒(méi)有任何擾動(dòng),它是平坦的。但有質(zhì)量的物體出現(xiàn)時(shí),比如一個(gè)雞蛋、來(lái)游樂(lè)場(chǎng)玩的小孩子或是地球這樣的龐然大物,它就會(huì)變得彎曲。
但這種彎曲對(duì)于生活在蹦床上的“微小生物”人類來(lái)說(shuō),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,以致我們完全感覺(jué)不到。
如果只是彎曲還好,但如果這個(gè)大質(zhì)量物體發(fā)生變化(如雞蛋被吃了、小孩子蹦走了或地球爆炸了),蹦床就會(huì)開(kāi)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(jué)不到它在震動(dòng)。
對(duì)于不喜歡被打擾的人來(lái)說(shuō),感受不到宇宙的震動(dòng)是幸福的,但物理學(xué)家可不這么想,他們急需感覺(jué)到震動(dòng),來(lái)證明自己確實(shí)讀懂了宇宙。于是,他們發(fā)明了世界上最大、最貴的圓規(guī)——邁克耳遜干涉儀(LIGO)。
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,如果跑道因?yàn)橐Σ〝_動(dòng),長(zhǎng)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(lái)的時(shí)間就會(huì)發(fā)生細(xì)微的差異。這樣我們就知道,空間確實(shí)在震動(dòng)。
然而,一切并非那么簡(jiǎn)單。第一,震動(dòng)太小了,也許4000米只會(huì)發(fā)生1-17米的變化。雖然圓規(guī)腿很長(zhǎng),也只能勉強(qiáng)讓我們感覺(jué)到兩側(cè)運(yùn)動(dòng)員(即激光)回來(lái)的時(shí)間差異。第二,我們不能讓諸如跺腳、打噴嚏或地震影響觀測(cè),所以需要各種設(shè)備讓兩條腿穩(wěn)定。同時(shí),還要在很遠(yuǎn)的地方再建一個(gè)同樣的裝置——只有兩個(gè)都震了,才知道這不是科研人員絕望時(shí)掀桌子引起的。
對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō),這輕輕的一震,比《美人魚》、《星球大戰(zhàn)》加起來(lái)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(kāi)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,諸如此類。
此外,引力波還能告訴我們看不到的宇宙空間在發(fā)生什么。如果你是《三體》迷,你就可以理解,假如在很遠(yuǎn)的星系一個(gè)文明被高階文明炸掉了,我們能第一時(shí)間通過(guò)引力波知道這件事情是多么重要。(據(jù)第一財(cái)經(jīng))
發(fā)明與創(chuàng)新·中學(xué)生2016年5期