引力波是个什么波?
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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。