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让物理学界沸腾的引力波

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2016年2月12日,全世界的物理学界都沸腾了——百年前已经被预言的引力波,终于被探测到了!
  作为普通大众,我们在被各种社交媒体刷屏的“引力波”洗脑的同时,却很少有人知道:引力波到底是什么?为什么探测到它需要百年的努力?它又能给世界带来什么?
  宇宙大蹦床
  很多人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凭直觉无法理解的。比如这一项——引力的定义。
  在广义相对论中,引力被解释为时空的弯曲。
  “时空弯曲是什么?”相信大多数人听说之后都是这个反应。它的意思是,我们平时感知的空间貌似是平直的,但真实的情况中,却是像在哈哈镜里一样,是弯曲的。这种弯曲是物质造成的,质量越大,造成的弯曲就越大。
  我们可以把宇宙想象成一个蹦床,如果没有任何干扰,它是平坦的。但当有质量的物体出现时,比如一个鸡蛋、来游乐场的小孩子,或者是地球这样的庞然大物,它就会变得弯曲。
  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,我们完全感觉不到。
  但如果这个大质量物体发生变化——鸡蛋被吃了、小孩子蹦走了,或者地球爆炸了——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。
  用圆规丈量宇宙
  对于不喜欢睡眠被地震打扰的人来说,感受不到宇宙的震动是多么幸福的一件事。
  但物理学家可不这么想,他们急需感觉到震动,来证明自己确实了解宇宙。他们还希望通过对震动的研究,将宇宙了解得更透彻。于是,他们发明了世界上最大和最贵的——圆规,或许很像,但他们把它叫作迈克尔逊干涉仪,或是LIGO。
  在大年初五带来引力波消息的LIGO并不像财神,相反,这个美国国家科学基金会(NSF)资助的项目前前后后已经花去了数十亿美元。
  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,那么,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产生些微的差异。由此,我们就知道,时空确实在震动。
  然而,这并不是那么简单的。
  第一,震动太小了,也许4000米只会发生0.000000000000000001米(数了一下,小数点后应该有17个0)的变化。虽然圆规腿已经很长了,这也只是勉强能让我们感觉到两侧“运动员”,也就是激光返回速度的差异。
  第二,我们不能让诸如跺脚、打喷嚏或是地震之类的干扰影响我们的观测,所以要用各种设备让两条腿保持稳定。同时,我们还要在很远的地方再建一个探测器,如果两个都震了,我们就知道这不是科研人员在绝望的情况下掀桌子引起的。
  物理学家在地球上建了一大堆探测器,这次探测成功的LIGO在美洲东西海岸各有一个探测基地。
  1991年,麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会(NSF)的资助下,开始联合建设“激光干涉引力波天文台”(LIGO)。不过,LIGO建成后一开始并没有什么作为,经过数次耗资不菲的改造,LIGO总算带来了好消息。
  引力波能带来什么
  对于大众来说,或许会质疑,花费这么多美元——教育家会计算能建多少学校,贫困国家会计算能买多少粮食,诸如此类——去探索引力波有何意义。
  但对疯狂的物理学家来说,他们会觉得,这不但值回票价,而且就像是免费的一样。
  听到这个消息,爱因斯坦当然会高兴,因为这证明了他那不像普通人类的脑袋瓜又对了,他猜想出的东西,人们花了大把钞票辛苦了数十年,总算看到了。不过,其他物理学家呢?对他们来说,这轻轻的一震,比《美人鱼》《星球大战》乃至人类史上所有的电影加起来都好看,因为它蕴含的剧情,是宇宙诞生的画面。
  我们从小就被告知了一个最著名的猜想——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,等等。
  引力波还能让我们知道,我们看不到的宇宙空间在发生什么。据科学家说,这次的引力波就是在距离我们超级远的地方,由我们看不到的超级大的黑洞的变化引起的。
  如果你是《三体》迷,你就可以理解,如果在很远的星系一个文明被更高阶的文明毁灭了,我们能够第一时间通过引力波知道这件事。

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分类:06期 | 标签: | 559 views