引力波為什么會讓物理學家痛哭流涕？

霍光

“破五”是中國傳統(tǒng)迎財神的日子。但2016年的這一天，不僅中國，全世界的物理學界都沸騰了，仿佛迎來了它們的“財神”——被預言已經(jīng)百年的引力波，終于被探測到了。

據(jù)媒體報道，一位物理學家如此形容自己的心情：“堂堂男子漢很少哭，當時心中忽然暖流涌動，但還是強忍住沒哭。那是一種強烈的感動，感動到想哭的感覺。整個新聞發(fā)布會上，我一直強忍著。”

作為一個普通大眾，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努力？它又能給世界帶來什么？

宇宙大蹦床

很多人都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的直覺無法理解的。比如這一項——引力的定義。

在廣義相對論中，引力被歸咎與時空的彎曲。

“時空彎曲是什么？”相信大多數(shù)人聽說之后都是這個反應。它的意思是，我們平時看到的空間貌似是平直的，但真實的情況中，卻是像哈哈鏡里一樣扭曲的。這種扭曲是物質造成的，質量越大，扭曲就越大。

我們可以把宇宙想象成一個蹦床，如果沒有任何擾動，它是平坦的。但有質量的物體出現(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。

可憐的是，這種彎曲，對于生活在蹦床上的微小生物——我說的就是人類這種生物——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，我們完全感覺不到這種彎曲。

如果只是彎曲還好，但如果這個大質量物體發(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。當然，跟著一起震動的我們也感覺不到它在震動。

用圓規(guī)丈量宇宙

對于不喜歡睡眠被地震打擾的我來說，感受不到宇宙的震動是多么幸福。但物理學家可不這么想，他們急需感覺到震動，來證明自己確實讀懂了宇宙。他們還希望通過對震動的研究，來把宇宙讀得更懂。于是，他們發(fā)明了世界上最大和最貴的……圓規(guī)？或許很像，但他們把它叫做邁克耳遜干涉儀，或是LIGO。LIGO的“兩條腿”都有4000米長，最近的一次升級就花去了幾十億美元。

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？假設我們有兩個短跑運動員，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發(fā)生些微的差異。我們就知道，空間確實在震動。

然而，這并不是那么簡單的。最簡單的兩個原因——第一，震動太小了，也許4000米只會發(fā)生0.000000000000000001米（我?guī)湍銛?shù)好了，這里應該有17個0）的變化。雖然圓規(guī)腿已經(jīng)這么長了，這也只是勉強能讓我們感覺到兩側運動員，也就是激光回來的差異。第二，我們不能讓諸如跺腳、打噴嚏或是地震影響我們的觀測，所以要用各種設備讓兩條腿穩(wěn)定。同時，我們還要在很遠的地方再建一個，如果兩個都震了，我們就知道這不是科研人員絕望情況下掀桌子引起的。

物理學家在地球上建了一大堆探測器。其中，這次成功的LIGO在美洲東西海岸各有一個探測基地。

1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設“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，或許會懷疑花費這么多美元——教育家會計算能建多少學校，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。但對瘋狂的物理學家來說，他們會覺得，這不但值回票價，而且就像免費的一樣便宜。

愛因斯坦當然會高興聽到這個消息，因為這證明了他不像普通人類的腦袋瓜又對了，他想象出的東西，人們花了大把鈔票辛苦了數(shù)十年，總算看到了。不過，其他物理學家呢？

對物理學家來說，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，因為它蘊含的劇情，是宇宙誕生的畫面。

我們從小都被告知一個最著名的猜想——宇宙是在一場爆炸中誕生的。這意味著，在時空的開始時，這個大蹦床有一次最劇烈的震動。引力波就能讓我們還原這個震動——它是否存在，有多大規(guī)模，諸如此類。

除此之外，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)科學家說，這次的引力波就是我們看不到的超級遠的距離上，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，如果在很遠的星系一個文明被高階文明炸掉了，我們能夠第一時間通過引力波知道這個事情是多么重要。

（摘自“第一財經(jīng)網(wǎng)”）