趣说引力波

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  2016年初的一天,全世界的物理学界都沸腾了,一位物理学家如此形容自己的心情:“那是一种强烈的感动,感动到想哭。整个新闻发布会上,我一直强忍着。”究竟发生了什么?原来,被预言已百年的引力波,终于在那一天被探测到了。
  很多人都听说过爱因斯坦的广义相对论,但并不知道它讲了什么。事实上,广义相对论的很多推论是人们靠直觉无法理解的,比如引力的定义。
  在广义相对论中,引力被归咎于时空的弯曲。它的意思是,我们平时看到的空间貌似是平直的,但真实的情况却是像哈哈镜里一样扭曲。这种扭曲是物质造成的,质量越大,扭曲就越大。
  我们可以把宇宙想象成一个蹦床,如果没有任何扰动,它是平坦的。但有质量的物体出现时,比如一个鸡蛋、来游乐场玩的小孩子或是地球这样的庞然大物,它就会变得弯曲。
  但这种弯曲对于生活在蹦床上的“微小生物”人类来说,一是由于我们跟着蹦床一起弯曲了,二是由于这种弯曲太微小,以致我们完全感觉不到。
  如果只是弯曲还好,但如果这个大质量物体发生变化(如鸡蛋被吃了、小孩子蹦走了或地球爆炸了),蹦床就会开始震动,这种震动就是引力波。当然,跟着一起震动的我们感觉不到它在震动。
  对于不喜欢被打扰的人来说,感受不到宇宙的震动是幸福的,但物理学家可不这么想,他们急需感觉到震动,来证明自己确实读懂了宇宙。于是,他们发明了世界上最大、最贵的圆规——迈克耳逊干涉仪(LIGO)。
  LIGO的原理是什么?假设我们有两个短跑运动员,他们在任何情况下跑步速度都一样,如果跑道因为引力波扰动,长度发生了变化——就像蹦床表面会因受力在一个方向上拉伸一样,他们从LIGO的两条腿上跑回来的时间就会发生细微的差异。这样我们就知道,空间确实在震动。
  然而,一切并非那么简单。第一,震动太小了,也许4000米只会发生1-17米的变化。虽然圆规腿很长,也只能勉强让我们感觉到两侧运动员(即激光)回来的时间差异。第二,我们不能让诸如跺脚、打喷嚏或地震影响观测,所以需要各种设备让两条腿稳定。同时,还要在很远的地方再建一个同样的装置——只有两个都震了,才知道这不是科研人员绝望时掀桌子引起的。
  对物理学家来说,这轻轻的一震,比《美人鱼》、《星球大战》加起来都好看,因为它蕴含的剧情是宇宙诞生的画面。
  我们从小就被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着,在时空开始时,这个大蹦床有一次最剧烈的震动。引力波能让我们还原这个震动——它是否存在、有多大规模,诸如此类。
  此外,引力波还能告诉我们看不到的宇宙空间在发生什么。如果你是《三体》迷,你就可以理解,假如在很远的星系一个文明被高阶文明炸掉了,我们能第一时间通过引力波知道这件事情是多么重要。(据第一财经)
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