深入淺出講解引力波
2017年10月3日(德國之聲中文網)我們無時不刻地感知到重力--也就是引力的存在。而在廣義相對論中,引力可以用時空彎曲來解釋。假設時空就是一張蹦床:一枚小小的網球放在蹦床上,它只會靜靜地停在那裡;而如果此時在蹦床上坐著一個人,蹦床就會向下凹陷,那枚小網球則會滾向這一凹陷處,而且越是離得近,滾得越是快。網球被這處凹陷"吸引"了。
顯然,坐在蹦床上的那個人體重越大,凹陷就越是明顯,網球就越是容易滾向凹陷處。同理,在時空中,引起改變的那個物體品質越大,時空彎曲程度就越是明顯,產生的"引力"也更大。
而在那個人一屁股坐上蹦床的那一瞬,蹦床的彎曲會從凹陷中心處向外擴散;此時,如果用高速攝影機觀測、並回放慢鏡頭,會發現這一擴散過程是以波動的形式進行的。就好像平靜的水面上投一枚石子,會產生一圈圈的漣漪。這就是引力波。
引力波產生在物體加速過程中,即物質的分佈發生改變時(一屁股坐上蹦床的時刻)。比如恆星爆炸、黑洞碰撞,都會產生引力波。引力波會引起時空的伸縮、影響時空的結構(蹦床的彎曲從凹陷處呈波浪狀擴散)。
為何花了一個世紀?
愛因斯坦在1916年發表廣義相對論時,就預言了引力波的存在。與聲波、光波(電磁波)不同的是,引力波在宇宙中的傳播不會受到任何阻擋。
愛因斯坦描述了時空是如何被引力波拉伸以及壓縮、時空是如何彎曲,也描述了物體是如何在彎曲的時空中運動的。
愛因斯坦的這一理論被提出後,眾多物理學家都在努力尋找引力波存在的證據。然而,受時代所限,早年間的科學家沒有足夠的技術手段來進行觀測。
難以觀測的一大原因就是引力波太微弱了。就好比我們觀察蹦床彎曲的波浪狀擴散需要高速攝影機,觀測引力波也需要極端精密的儀器。抵達地球的引力波,其振幅大約相當於氫原子的100億分之一。
這次立了大功的LIGO(雷射干涉引力波探測器),是由相距3000公里的兩個精密觀測裝置共同組成的。每個觀測裝置都具有兩條相互垂直的管道,每條管道長4000米,構成L型。管道內安裝有半透鏡以及反射鏡。雷射在L型管道的節點處被半透鏡分為兩路,分別走向L型管道的兩端,從盡端反射回來後,重新匯聚。如果沒有引力波的影響,重新匯聚後的雷射會因為同頻干涉而相互抵消。而引力波會極其細微地改變反射鏡與半透鏡的距離,從而影響本應相互抵消的干涉結果。
而之所以要相隔3000公里修建兩套一樣的觀測裝置,則是為了便於科學家比對引力波的方向以及時間節點。
除了LIGO項目,還有許多其他裝置也在找尋引力波的影蹤。歐洲空間局最近發射了一枚衛星,可以用來觀測宇宙的細微波動。
證實引力波為何意義重大?
從科學意義上而言,證實引力波確實存在,將徹底改變物理學對宇宙的認知。科學家將能夠由此來研究大爆炸事件的後續影響,還能夠更精確地來觀察宇宙中遙遠的角落。源自大爆炸的引力波,還能幫助科學家更好地理解宇宙的構成。
從科學史角度來看,捕捉到引力波直接存在的證據,就是補上了愛因斯坦廣義相對論實驗驗證的最後一塊拼圖。廣義相對論的其他幾項預言--例如可見光/電磁波的彎曲、水星近日點進動、引力紅移效應此前都已經被證實。
從大眾傳媒的視點來看,這次發現引力波直接證據的科學家,極其有望獲得諾貝爾物理學獎(比如,LIGO項目的發起人之一懷斯教授已經83歲了…)。
從普通人的現實角度……暫時無法預測引力波會有哪些現實的應用價值。但是:看似遠離日常生活的、1916年發表的廣義相對論,對於如今廣泛應用的衛星定位技術,卻是不可或缺的:衛星必須依照廣義相對論,來修正由地球引力導致的時空彎曲。
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