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時(shí)空彎曲：天體物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)獲突破何為引力波？

?？诰W(wǎng)　http://m.yinhu3.com　時(shí)間：2017-10-04 15:45

　　據(jù)外媒報(bào)道，瑞典皇家科學(xué)院將2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予雷納·韋斯(Rainer Weiss)，巴里·巴瑞斯(Barry C. Barish)和吉普·索恩(Kip S. Thorne)三位科學(xué)家，以表彰他們在引力波研究方面的貢獻(xiàn)。為什么一項(xiàng)常人難以理解的天體物理學(xué)新發(fā)現(xiàn)能夠引發(fā)如此多的關(guān)注？究竟什么是引力波？發(fā)現(xiàn)了引力波，又有怎樣的科學(xué)意義？

　　引力導(dǎo)致的時(shí)空彎曲

　　我們無時(shí)不刻地感知到重力——也就是引力的存在。而在廣義相對(duì)論中，引力可以用時(shí)空彎曲來解釋。假設(shè)時(shí)空就是一張蹦床：一枚小小的網(wǎng)球放在蹦床上，它只會(huì)靜靜地停在那里；而如果此時(shí)在蹦床上坐著一個(gè)人，蹦床就會(huì)向下凹陷，那枚小網(wǎng)球則會(huì)滾向這一凹陷處，而且越是離得近，滾得越是快，網(wǎng)球被這處凹陷"吸引"了。

　　顯然，坐在蹦床上的那個(gè)人體重越大，凹陷就越是明顯，網(wǎng)球就越是容易滾向凹陷處。同理，在時(shí)空中，引起改變的那個(gè)物體質(zhì)量越大，時(shí)空彎曲程度就越是明顯，產(chǎn)生的"引力"也更大。

　　而在那個(gè)人一屁股坐上蹦床的那一瞬，蹦床的彎曲會(huì)從凹陷中心處向外擴(kuò)散；此時(shí)，如果用高速攝影機(jī)觀測、并回放慢鏡頭，會(huì)發(fā)現(xiàn)這一擴(kuò)散過程是以波動(dòng)的形式進(jìn)行的。就好像平靜的水面上投一枚石子，會(huì)產(chǎn)生一圈圈的漣漪——這就是引力波。

　　引力波產(chǎn)生在物體加速過程中，即物質(zhì)的分布發(fā)生改變時(shí)(一屁股坐上蹦床的時(shí)刻)。比如恒星爆炸、黑洞碰撞，都會(huì)產(chǎn)生引力波。引力波會(huì)引起時(shí)空的伸縮、影響時(shí)空的結(jié)構(gòu)(蹦床的彎曲從凹陷處呈波浪狀擴(kuò)散)。

　　為何花了一個(gè)世紀(jì)？

　　愛因斯坦在1916年發(fā)表廣義相對(duì)論時(shí)，就預(yù)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(huì)受到任何阻擋。

　　愛因斯坦描述了時(shí)空是如何被引力波拉伸以及壓縮、時(shí)空是如何彎曲，也描述了物體是如何在彎曲的時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的。

　　愛因斯坦的這一理論被提出后，眾多物理學(xué)家都在努力尋找引力波存在的證據(jù)。然而，受時(shí)代所限，早年間的科學(xué)家沒有足夠的技術(shù)手段來進(jìn)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(kuò)散需要高速攝影機(jī)，觀測引力波也需要極端精密的儀器。抵達(dá)地球的引力波，其振幅大約相當(dāng)于氫原子的100億分之一。

　　這次立了大功的LIGO(激光干涉引力波探測器)，是由相距3000公里的兩個(gè)精密觀測裝置共同組成的。每個(gè)觀測裝置都具有兩條相互垂直的管道，每條管道長4000米，構(gòu)成L型。管道內(nèi)安裝有半透鏡以及反射鏡。激光在L型管道的節(jié)點(diǎn)處被半透鏡分為兩路，分別走向L型管道的兩端，從盡端反射回來后，重新匯聚。如果沒有引力波的影響，重新匯聚后的激光會(huì)因?yàn)橥l干涉而相互抵消。而引力波會(huì)極其細(xì)微地改變反射鏡與半透鏡的距離，從而影響本應(yīng)相互抵消的干涉結(jié)果。

　　而之所以要相隔3000公里修建兩套一樣的觀測裝置，則是為了便于科學(xué)家比對(duì)引力波的方向以及時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

　　除了LIGO項(xiàng)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(fā)射了一枚衛(wèi)星，可以用來觀測宇宙的細(xì)微波動(dòng)。

　　證實(shí)引力波為何意義重大？

　　從科學(xué)意義上而言，證實(shí)引力波確實(shí)存在，將徹底改變物理學(xué)對(duì)宇宙的認(rèn)知?？茖W(xué)家將能夠由此來研究大爆炸事件的后續(xù)影響，還能夠更精確地來觀察宇宙中遙遠(yuǎn)的角落。源自大爆炸的引力波，還能幫助科學(xué)家更好地理解宇宙的構(gòu)成。

　　從科學(xué)史角度來看，捕捉到引力波直接存在的證據(jù)，就是補(bǔ)上了愛因斯坦廣義相對(duì)論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的最后一塊拼圖。廣義相對(duì)論的其他幾項(xiàng)預(yù)言——例如可見光和電磁波的彎曲、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、引力紅移效應(yīng)此前都已經(jīng)被證實(shí)。

　　從普通人的現(xiàn)實(shí)角度，雖然暫時(shí)無法預(yù)測引力波會(huì)有哪些現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。但是看似遠(yuǎn)離日常生活的、1916年發(fā)表的廣義相對(duì)論，對(duì)于如今廣泛應(yīng)用的衛(wèi)星定位技術(shù)，卻是不可或缺的：衛(wèi)星必須依照廣義相對(duì)論，來修正由地球引力導(dǎo)致的時(shí)空彎曲。