2016年初的一天,全世界的物理學(xué)界都沸騰了,一位物理學(xué)家如此形容自己的心情:“那是一種強烈的感動,感動到想哭。整個新聞發(fā)布會上,我一直強忍著?!本烤拱l(fā)生了什么?原來,被預(yù)言已百年的引力波,終于在那一天被探測到了。
很多人都聽說過愛因斯坦的廣義相對論,但并不知道它講了什么。事實上,廣義相對論的很多推論是人們靠直覺無法理解的,比如引力的定義。
在廣義相對論中,引力被歸咎于時空的彎曲。它的意思是,我們平時看到的空間貌似是平直的,但真實的情況卻是像哈哈鏡里一樣扭曲。這種扭曲是物質(zhì)造成的,質(zhì)量越大,扭曲就越大。
我們可以把宇宙想象成一個蹦床,如果沒有任何擾動,它是平坦的。但有質(zhì)量的物體出現(xiàn)時,比如一個雞蛋、來游樂場玩的小孩子或是地球這樣的龐然大物,它就會變得彎曲。
但這種彎曲對于生活在蹦床上的“微小生物”人類來說,一是由于我們跟著蹦床一起彎曲了,二是由于這種彎曲太微小,以致我們完全感覺不到。
如果只是彎曲還好,但如果這個大質(zhì)量物體發(fā)生變化(如雞蛋被吃了、小孩子蹦走了或地球爆炸了),蹦床就會開始震動,這種震動就是引力波。當(dāng)然,跟著一起震動的我們感覺不到它在震動。
對于不喜歡被打擾的人來說,感受不到宇宙的震動是幸福的,但物理學(xué)家可不這么想,他們急需感覺到震動,來證明自己確實讀懂了宇宙。于是,他們發(fā)明了世界上最大、最貴的圓規(guī)——邁克耳遜干涉儀(LIGO)。
LIGO的原理是什么?假設(shè)我們有兩個短跑運動員,他們在任何情況下跑步速度都一樣,如果跑道因為引力波擾動,長度發(fā)生了變化——就像蹦床表面會因受力在一個方向上拉伸一樣,他們從LIGO的兩條腿上跑回來的時間就會發(fā)生細微的差異。這樣我們就知道,空間確實在震動。
然而,一切并非那么簡單。第一,震動太小了,也許4000米只會發(fā)生1-17米的變化。雖然圓規(guī)腿很長,也只能勉強讓我們感覺到兩側(cè)運動員(即激光)回來的時間差異。第二,我們不能讓諸如跺腳、打噴嚏或地震影響觀測,所以需要各種設(shè)備讓兩條腿穩(wěn)定。同時,還要在很遠的地方再建一個同樣的裝置——只有兩個都震了,才知道這不是科研人員絕望時掀桌子引起的。
對物理學(xué)家來說,這輕輕的一震,比《美人魚》、《星球大戰(zhàn)》加起來都好看,因為它蘊含的劇情是宇宙誕生的畫面。
我們從小就被告知一個最著名的猜想——宇宙是在一場爆炸中誕生的。這意味著,在時空開始時,這個大蹦床有一次最劇烈的震動。引力波能讓我們還原這個震動——它是否存在、有多大規(guī)模,諸如此類。
此外,引力波還能告訴我們看不到的宇宙空間在發(fā)生什么。如果你是《三體》迷,你就可以理解,假如在很遠的星系一個文明被高階文明炸掉了,我們能第一時間通過引力波知道這件事情是多么重要。(據(jù)第一財經(jīng))
發(fā)明與創(chuàng)新·中學(xué)生2016年5期