2017年諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給LIGO科學(xué)合作組織的三位主要成員：雷納·韋斯(Rainer Weiss), 巴里·巴瑞希(Barry Barish), 吉普·索恩(Kip Thorne) ，以表彰他們直接探測(cè)到了引力波。那么問(wèn)題來(lái)了，引力波是什么?發(fā)現(xiàn)它又有什么用?為什么探測(cè)到它值一座諾貝爾獎(jiǎng)呢?關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，由這篇指南給你做好的解答吧!

操作方法

01

《泰坦尼克號(hào)》中杰克和露絲之所以會(huì)互相吸引，除了因?yàn)閻?ài)，還因?yàn)橘|(zhì)量。在愛(ài)因斯坦的描述中，有質(zhì)量的物體會(huì)使它周圍的時(shí)空發(fā)生扭曲，物體的質(zhì)量越大，時(shí)空就扭曲得越厲害。如果你將時(shí)空看成一張大橡膠膜，然后往上面放一個(gè)露絲，那么她的質(zhì)量就會(huì)把橡膠膜往下壓，在旁近放一個(gè)杰克，可以看到，露絲球和杰克球分別造成的時(shí)空彎曲，讓他們倆逐漸滾向了對(duì)方并最終親密接觸。這種變化以波的形式向外傳播，用聽(tīng)起來(lái)很厲害的說(shuō)法講，就是“引力波”，換文藝點(diǎn)的說(shuō)法講，就是“時(shí)空的漣漪”。

02

引力波來(lái)自距離我們13億光年處的兩個(gè)黑洞的合并。這兩個(gè)黑洞的直徑都不大，不超過(guò)150千米。最令人感興趣的是，探測(cè)引力波有助于我們追溯宇宙更早期的歷史。在大爆炸之后，宇宙曾經(jīng)歷過(guò)一段“黑暗時(shí)期”，時(shí)間延續(xù)大約38萬(wàn)年。那時(shí)，宇宙中的物質(zhì)還沒(méi)冷卻到可以發(fā)射和傳播電磁波，所以整個(gè)宇宙漆黑一片。對(duì)于宇宙的這段歷史，天文學(xué)家只有理論上的一些模糊猜測(cè)。但從理論上說(shuō)，從大爆炸那一刻起，宇宙中就已彌漫著作為背景的引力波，而且引力波幾乎不與物質(zhì)發(fā)生作用，穿透能力很強(qiáng)，所以未來(lái)如果我們探測(cè)到這些背景引力波，或許就能窺探到宇宙更早期的歷史，然后回答諸如“宇宙有沒(méi)有發(fā)生過(guò)爆炸”等問(wèn)題。

03

引力波其實(shí)就是時(shí)空本身的一種波動(dòng)。空間的波動(dòng)是不難理解的，無(wú)非就是長(zhǎng)度的伸縮而已。根據(jù)廣義相對(duì)論，引力場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)影響時(shí)鐘的快慢。兩個(gè)校對(duì)好的時(shí)鐘，一個(gè)拿到引力弱的地方，另一個(gè)拿到引力強(qiáng)的地方，最終你會(huì)發(fā)現(xiàn)，后者走得比前者慢。這就是引力的時(shí)間膨脹效應(yīng)。而引力波所過(guò)之處會(huì)引起引力場(chǎng)的變化，那么自然，它也會(huì)引起時(shí)間的“波動(dòng)”。

04

波的傳播需要速度，引力波也不例外。根據(jù)廣義相對(duì)論，引力波的傳播速度是光速。但這僅僅是一個(gè)理論上的假設(shè)，因?yàn)橹挥羞@樣假設(shè)時(shí)，廣義相對(duì)論才最簡(jiǎn)潔。不過(guò)在得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之前，當(dāng)然也不排除小于光速的可能。但要它比光速快，這是絕對(duì)不可能的。因?yàn)橄鄬?duì)論的一個(gè)前提假設(shè)是：光速是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和作用力傳遞的極限。而引力波又是由廣義相對(duì)論預(yù)言的。

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引力波的發(fā)現(xiàn)，是不是讓我們離時(shí)間旅行的夢(mèng)想更近了?謹(jǐn)慎地講，引力波跟時(shí)間旅行八竿子打不著。因?yàn)闀r(shí)間旅行需要超光速，只有發(fā)現(xiàn)超光速的東西，才能談得上時(shí)間旅行，而在上面的問(wèn)答中，我們已經(jīng)講到，引力波的速度無(wú)論如何不會(huì)超過(guò)光速。但引力波的發(fā)現(xiàn)，未來(lái)或許可以讓科學(xué)家更深入地研究時(shí)空關(guān)系，從這個(gè)意義上未嘗不可以說(shuō)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓我們離實(shí)現(xiàn)或打破時(shí)間來(lái)旅行的夢(mèng)想更近了。

06

我們探測(cè)到引力波是如此微弱，再說(shuō)引力波和聲波又是性質(zhì)截然不同的兩種波，所以人的耳朵當(dāng)然是聽(tīng)不到引力波的。但在實(shí)際探測(cè)的時(shí)候，通過(guò)電子儀器，引力波已經(jīng)轉(zhuǎn)化成了電信號(hào)，而把電信號(hào)放大之后轉(zhuǎn)化成聲音信號(hào)又是很容易的，這樣一來(lái)，人的耳朵就能“聽(tīng)到”引力波了。

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引力波是彌漫空間的波動(dòng)，當(dāng)它“擊中”美國(guó)的引力波探測(cè)器時(shí)，也同時(shí)會(huì)“擊中”每個(gè)地球人。如果把引力波的傳播方向設(shè)置為三維坐標(biāo)的Z軸，當(dāng)引力波“擊中”你時(shí)，在垂直于該坐標(biāo)軸的X方向上，你的身體會(huì)輕微地拉長(zhǎng)，在Y方向上，你的身體會(huì)輕微的收縮。然后，反過(guò)來(lái)，在X方向上收縮，在Y方向上拉長(zhǎng);這樣來(lái)回振蕩，直至引力波消失。不過(guò)，事實(shí)上，哪怕你的身體尺寸有幾千米高，變化幅度也不超過(guò)一個(gè)原子核的尺寸，所以你是覺(jué)察不到這個(gè)變化的。

08

前面我們提到，需要質(zhì)量非常大的物體在急劇加速或減速時(shí)，地球人才能探測(cè)到諸如這次那么微弱的引力波。這種情況據(jù)科學(xué)家目前所知，僅當(dāng)兩個(gè)中子星或者黑洞合并的過(guò)程中才會(huì)發(fā)生。而中子星或黑洞上存在外星人，當(dāng)然是不可設(shè)想的。此外，如果外星人真的能用引力波來(lái)搜尋我們，那說(shuō)明它們的文明程度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們了。在這種情況下，正如霍金以前所建議的，我們還是不要回復(fù)的好，以免“引狼入室”。

09

引力波可以被用作窺探宇宙深處的工具。由于有幾乎不衰減的特性，它能幫我們洞悉整個(gè)宇宙的源頭。不是某種生物，某顆行星或者某個(gè)星系的起源，而是整個(gè)宇宙的起源。引力波的存在一經(jīng)證實(shí)，我們將以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。而一旦尋找到合適的引力波，人們將能夠?yàn)榇蟊ɡ碚摵陀钪媾蛎浝碚撜业接欣淖C據(jù)。

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