深入浅出讲解引力波

(德国之声中文网)我们无时不刻地感知到重力--也就是引力的存在。而在广义相对论中，引力可以用时空弯曲来解释。假设时空就是一张蹦床：一枚小小的网球放在蹦床上，它只会静静地停在那里；而如果此时在蹦床上坐着一个人，蹦床就会向下凹陷，那枚小网球则会滚向这一凹陷处，而且越是离得近，滚得越是快。网球被这处凹陷"吸引"了。

显然，坐在蹦床上的那个人体重越大，凹陷就越是明显，网球就越是容易滚向凹陷处。同理，在时空中，引起改变的那个物体质量越大，时空弯曲程度就越是明显，产生的"引力"也更大。

而在那个人一屁股坐上蹦床的那一瞬，蹦床的弯曲会从凹陷中心处向外扩散；此时，如果用高速摄影机观测、并回放慢镜头，会发现这一扩散过程是以波动的形式进行的。就好像平静的水面上投一枚石子，会产生一圈圈的涟漪。这就是引力波。

引力波产生在物体加速过程中，即物质的分布发生改变时(一屁股坐上蹦床的时刻)。比如恒星爆炸、黑洞碰撞，都会产生引力波。引力波会引起时空的伸缩、影响时空的结构(蹦床的弯曲从凹陷处呈波浪状扩散)。

为何花了一个世纪？

爱因斯坦在1916年发表广义相对论时，就预言了引力波的存在。与声波、光波(电磁波)不同的是，引力波在宇宙中的传播不会受到任何阻挡。

爱因斯坦描述了时空是如何被引力波拉伸以及压缩、时空是如何弯曲，也描述了物体是如何在弯曲的时空中运动的。

爱因斯坦的这一理论被提出后，众多物理学家都在努力寻找引力波存在的证据。然而，受时代所限，早年间的科学家没有足够的技术手段来进行观测。

难以观测的一大原因就是引力波太微弱了。就好比我们观察蹦床弯曲的波浪状扩散需要高速摄影机，观测引力波也需要极端精密的仪器。抵达地球的引力波，其振幅大约相当于氢原子的100亿分之一。

这次立了大功的LIGO(激光干涉引力波探测器)，是由相距3000公里的两个精密观测装置共同组成的。每个观测装置都具有两条相互垂直的管道，每条管道长4000米，构成L型。管道内安装有半透镜以及反射镜。激光在L型管道的节点处被半透镜分为两路，分别走向L型管道的两端，从尽端反射回来后，重新汇聚。如果没有引力波的影响，重新汇聚后的激光会因为同频干涉而相互抵消。而引力波会极其细微地改变反射镜与半透镜的距离，从而影响本应相互抵消的干涉结果。

而之所以要相隔3000公里修建两套一样的观测装置，则是为了便于科学家比对引力波的方向以及时间节点。

除了LIGO项目，还有许多其他装置也在找寻引力波的影踪。欧洲空间局最近发射了一枚卫星，可以用来观测宇宙的细微波动。

证实引力波为何意义重大？

从科学意义上而言，证实引力波确实存在，将彻底改变物理学对宇宙的认知。科学家将能够由此来研究大爆炸事件的后续影响，还能够更精确地来观察宇宙中遥远的角落。源自大爆炸的引力波，还能帮助科学家更好地理解宇宙的构成。

从科学史角度来看，捕捉到引力波直接存在的证据，就是补上了爱因斯坦广义相对论实验验证的最后一块拼图。广义相对论的其他几项预言--例如可见光/电磁波的弯曲、水星近日点进动、引力红移效应此前都已经被证实。

从大众传媒的视点来看，这次发现引力波直接证据的科学家，极其有望获得诺贝尔物理学奖(比如，LIGO项目的发起人之一怀斯教授已经83岁了…)。

从普通人的现实角度……暂时无法预测引力波会有哪些现实的应用价值。但是：看似远离日常生活的、1916年发表的广义相对论，对于如今广泛应用的卫星定位技术，却是不可或缺的：卫星必须依照广义相对论，来修正由地球引力导致的时空弯曲。

 

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