深入淺出講解引力波

(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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