引力波為什么會(huì)讓物理學(xué)家痛哭流涕？

霍光

“破五”是中國(guó)傳統(tǒng)迎財(cái)神的日子。但2016年的這一天，不僅中國(guó)，全世界的物理學(xué)界都沸騰了，仿佛迎來(lái)了它們的“財(cái)神”——被預(yù)言已經(jīng)百年的引力波，終于被探測(cè)到了。

據(jù)媒體報(bào)道，一位物理學(xué)家如此形容自己的心情：“堂堂男子漢很少哭，當(dāng)時(shí)心中忽然暖流涌動(dòng)，但還是強(qiáng)忍住沒(méi)哭。那是一種強(qiáng)烈的感動(dòng)，感動(dòng)到想哭的感覺(jué)。整個(gè)新聞發(fā)布會(huì)上，我一直強(qiáng)忍著?！?/p>

作為一個(gè)普通大眾，我們?cè)诒桓鞣N社交媒體刷屏的“引力波”洗腦的同時(shí)，卻很少有人知道，引力波到底是什么？為什么探測(cè)到它需要百年努力？它又能給世界帶來(lái)什么？

宇宙大蹦床

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的直覺(jué)無(wú)法理解的。比如這一項(xiàng)——引力的定義。

在廣義相對(duì)論中，引力被歸咎與時(shí)空的彎曲。

“時(shí)空彎曲是什么？”相信大多數(shù)人聽(tīng)說(shuō)之后都是這個(gè)反應(yīng)。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)的情況中，卻是像哈哈鏡里一樣扭曲的。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)的小孩子，或者是地球這樣的龐然大物，它就會(huì)變得彎曲。

可憐的是，這種彎曲，對(duì)于生活在蹦床上的微小生物——我說(shuō)的就是人類這種生物——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，我們完全感覺(jué)不到這種彎曲。

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——雞蛋被吃了，小孩子蹦走了，或者地球爆炸了——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)的我們也感覺(jué)不到它在震動(dòng)。

用圓規(guī)丈量宇宙

對(duì)于不喜歡睡眠被地震打擾的我來(lái)說(shuō)，感受不到宇宙的震動(dòng)是多么幸福。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。他們還希望通過(guò)對(duì)震動(dòng)的研究，來(lái)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(zhǎng)，最近的一次升級(jí)就花去了幾十億美元。

在大年初五帶來(lái)引力波消息的LIGO并不像財(cái)神，相反，這個(gè)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）資助的項(xiàng)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(gè)短跑運(yùn)動(dòng)員，他們?cè)谌魏吻闆r下跑步速度都一樣，那么，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)生些微的差異。我們就知道，空間確實(shí)在震動(dòng)。

然而，這并不是那么簡(jiǎn)單的。最簡(jiǎn)單的兩個(gè)原因——第一，震動(dòng)太小了，也許4000米只會(huì)發(fā)生0.000000000000000001米（我?guī)湍銛?shù)好了，這里應(yīng)該有17個(gè)0）的變化。雖然圓規(guī)腿已經(jīng)這么長(zhǎng)了，這也只是勉強(qiáng)能讓我們感覺(jué)到兩側(cè)運(yùn)動(dòng)員，也就是激光回來(lái)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(cè)，所以要用各種設(shè)備讓兩條腿穩(wěn)定。同時(shí)，我們還要在很遠(yuǎn)的地方再建一個(gè)，如果兩個(gè)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(xué)家在地球上建了一大堆探測(cè)器。其中，這次成功的LIGO在美洲東西海岸各有一個(gè)探測(cè)基地。

1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開(kāi)始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）。不過(guò)，LIGO建成后一開(kāi)始并沒(méi)有什么作為，經(jīng)過(guò)數(shù)次耗資不菲改造，LIGO總算帶來(lái)了好消息。

引力波能帶來(lái)什么？

對(duì)于大眾來(lái)說(shuō)，或許會(huì)懷疑花費(fèi)這么多美元——教育家會(huì)計(jì)算能建多少學(xué)校，貧困國(guó)家會(huì)計(jì)算能買多少糧食，諸如此類——去探索引力波有何意義。但對(duì)瘋狂的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們會(huì)覺(jué)得，這不但值回票價(jià)，而且就像免費(fèi)的一樣便宜。

愛(ài)因斯坦當(dāng)然會(huì)高興聽(tīng)到這個(gè)消息，因?yàn)檫@證明了他不像普通人類的腦袋瓜又對(duì)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(guò)，其他物理學(xué)家呢？

對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這輕輕的一震，比《美人魚(yú)》《星球大戰(zhàn)》乃至人類史上所有的電影加起來(lái)都好看，因?yàn)樗N(yùn)含的劇情，是宇宙誕生的畫(huà)面。

我們從小都被告知一個(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)空的開(kāi)始時(shí)，這個(gè)大蹦床有一次最劇烈的震動(dòng)。引力波就能讓我們還原這個(gè)震動(dòng)——它是否存在，有多大規(guī)模，諸如此類。

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(xué)家說(shuō)，這次的引力波就是我們看不到的超級(jí)遠(yuǎn)的距離上，我們看不到的超級(jí)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(gè)文明被高階文明炸掉了，我們能夠第一時(shí)間通過(guò)引力波知道這個(gè)事情是多么重要。

（摘自“第一財(cái)經(jīng)網(wǎng)”）