引力波

2016年2月11日，農(nóng)歷正月初五，正當(dāng)中國(guó)人還在歡歡喜喜過(guò)大年時(shí)，太平洋彼岸傳來(lái)一個(gè)重磅級(jí)消息——美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)在華盛頓特區(qū)的國(guó)家媒體中心宣布：人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波！一瞬間，“引力波”作為一個(gè)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?cè)诒簧缃幻襟w上的“引力波”刷屏的同時(shí)，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(cè)到它？引力波又能給我們帶來(lái)什么呢？下面，就讓本極客帶大伙去了解一下。

它是怎么來(lái)的

我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，但很少有人去了解這個(gè)理論的內(nèi)容。對(duì)我們而言，它實(shí)在高深莫測(cè)，無(wú)法理解，比如它對(duì)引力的定義。

在愛(ài)因斯坦看來(lái)，引力是時(shí)空的彎曲造成的。

“時(shí)空彎曲是啥意思？”相信大多數(shù)人在聽(tīng)到這個(gè)說(shuō)法的時(shí)候，都有這樣的疑問(wèn)。從字面上理解，我們平時(shí)看到的時(shí)空貌似是正常的，但真實(shí)情況是，它是一個(gè)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(gè)例子：我們把宇宙想象成一個(gè)床墊，如果沒(méi)有任何干擾，它是平坦的。當(dāng)有質(zhì)量的物體出現(xiàn)時(shí)，比如在上面放一本《少年博覽》，或者讓一個(gè)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(gè)現(xiàn)象告訴我們，具有一定質(zhì)量的物體，周?chē)臻g會(huì)如蹦床一樣發(fā)生彎曲。因此，太陽(yáng)、地球、月球等星體的周?chē)即嬖谥鴷r(shí)空彎曲的現(xiàn)象。

這就是廣義相對(duì)論所要闡述的原理。

不過(guò)，這種彎曲對(duì)于生活在蹦床上的微小生物而言，比如我們?nèi)祟?lèi)，是微不足道的。因?yàn)槲覀兏矇|一起彎曲了，而且這種彎曲程度太微小，人類(lèi)無(wú)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(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，并像漣漪一樣傳播開(kāi)，這種震動(dòng)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(huì)知道引力波是無(wú)處不在的，因?yàn)橛钪嬷械奈矬w處在不斷運(yùn)動(dòng)中，只不過(guò)我們感覺(jué)不到罷了。

在普通人看來(lái)，了解引力波沒(méi)有多大意義，頂多是學(xué)習(xí)了一個(gè)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(dòng)，來(lái)證明自己確實(shí)讀懂了宇宙。他們還希望通過(guò)對(duì)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(yáng)運(yùn)行時(shí)，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(huì)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(shí)，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(cè)。

于是，科學(xué)家們?cè)诘厍蛏辖艘淮蠖烟綔y(cè)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(tái)”的英文縮寫(xiě)，由美國(guó)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)為該項(xiàng)目投入了大筆資金，據(jù)說(shuō)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(gè)大圓規(guī)。一開(kāi)始，它并沒(méi)有什么作為，經(jīng)過(guò)數(shù)次耗資不菲的改造后，LIGO才終于帶來(lái)了好消息。這次觀(guān)測(cè)到引力波，應(yīng)該歸功于LIGO設(shè)在美國(guó)東西海岸的兩個(gè)引力波探測(cè)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(zhǎng)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(shí)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(lái)回反射，如果有引力波通過(guò)，便會(huì)引起時(shí)空變形，兩根管道內(nèi)激光返回的時(shí)間就存在細(xì)微差別，從而被儀器記錄下來(lái)。

如果你對(duì)上面的原理不太理解，那讓我們打個(gè)比方吧。在兩條長(zhǎng)度一樣的跑道（真空管道）上，各有一位運(yùn)動(dòng)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(dòng)，長(zhǎng)度發(fā)生了變化，他們跑回來(lái)的時(shí)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(dòng)。

然而，要抓住震動(dòng)并不容易。首先，這種震動(dòng)太小了，也許4000米只會(huì)發(fā)生0.000000000000000001米的變化。雖然“圓規(guī)”腿已經(jīng)很長(zhǎng)了，也只能讓我們勉強(qiáng)感覺(jué)到兩位運(yùn)動(dòng)員，也就是激光束回來(lái)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(guān)測(cè)，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(shí)建造了兩個(gè)完全相同的探測(cè)器，彼此相距3000千米。只有當(dāng)兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到相同的信號(hào)，才有可能是引力波。

至少在出現(xiàn)震動(dòng)時(shí)，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(lái)什么

如果愛(ài)因斯坦知道引力波被發(fā)現(xiàn)了，一定會(huì)高興地蹦起來(lái)，因?yàn)檫@證明了他的腦瓜比其他人聰明。他想出來(lái)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(yú)》《星球大戰(zhàn)》乃至人類(lèi)史上所有的電影加起來(lái)都要好看，因?yàn)樗N(yùn)含的劇情里，有宇宙誕生的畫(huà)面。

我們從小就被告知了一個(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)空之初，這個(gè)大床墊有一次最劇烈的震動(dòng)，而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？

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(shuō)，這次的引力波就是在我們看不到的超遠(yuǎn)距離上，兩個(gè)大黑洞合并引發(fā)的——這兩個(gè)黑洞的初始質(zhì)量分別為29顆太陽(yáng)和36顆太陽(yáng)，它們合并成了一個(gè)有62倍太陽(yáng)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(guò)13億年的漫長(zhǎng)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(gè)文明被毀滅了，我們就能通過(guò)引力波第一時(shí)間知道。也就是說(shuō)，引力波能為我們揭開(kāi)宇宙里的很多秘密，這就是科學(xué)家對(duì)它如此感興趣的原因。