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（原创）时空弯曲的涟漪，让人们离宇宙真理更近？

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（原创）时空弯曲的涟漪，让人们离宇宙真理更近？


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（原创）时空弯曲的涟漪，让人们离宇宙真理更近？


文/陈根
1916年 ， 爱因斯坦发表论文 ， 预测了引力波的存在；一个世纪后 ， 2015年9月14日 ， 位于美国华盛顿州和路易斯安那州的“先进LIGO”激光干涉仪首次探测到了黑洞合并事件 ， 人类终于成功探测到的引力波信号GW150914 。
两年后 ， 2017年10月3日 ， 由于在引力波领域的突出贡献 ， 美国麻省理工学院雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、加州理工学院基普·索恩（Kip Thorne）和巴里·巴里什（Barry Barish）被授予2017年诺贝尔物理学奖 。
刘慈欣的小说《朝闻道》中 ， 掌握宇宙终极理论的外星文明“排险者”造访了地球 ， 至于排险者如何得到这本终极真理 ， 答案就是引力波 。 可以说 ， 引力波的证实开启了一个全新的时代 ， 如今 ， 随着对于引力波研究的日渐深入 ， 以光速传播扰动时空也让人们离宇宙真理更近 。

时空弯曲的涟漪
引力波 ， 来源于爱因斯坦的广义相对论 。 如果爱因斯坦的狭义相对论发现物质和能量是等价的 ， 那么广义相对论则宣告运动中的物质决定了时空的形状 。 引力波的专业说法是：四维时空曲率的扰动以行进波的方式向外传递的一种方式 ， 所以引力波更应该叫曲率波 。 简单来理解 ， 引力波就是时空弯曲的涟漪 ， 通过波的形式从辐射源向外传播 。
如果说牛顿的理论是“质量告诉引力场如何形成 ， 引力场告诉质量如何运动” ， 那么广义相对论则是“物质告诉时空如何弯曲 ， 时空告诉物质如何运动” 。 爱因斯坦之所以伟大 ， 就在于他两次改变了人类对时间和空间的思维范式 。 第一次他告诉我们时空一体 ， 同时相对 ， 第二次则告诉我们时空是弯曲的 。
至于时空为什么会弯曲 ， 爱因斯坦认为 ， 基于广义相对论 ， 在非球对称的物质分布情况下 ， 物质运动 ， 或物质体系的质量分布发生变化 ， 即物质分布改变时 ， 时空也会相应变化 ， 这一变化会以波动的形式以光速传播 ， 即引力波 。
比如 ， 在一个平静的湖面上放一个皮球 ， 皮球之下的水面就是一个弧形 ， 这就叫物体质量引起时空弯曲；但此时湖面仍然是平静的 ， 并没有什么水波出现 。 我们在旁边再放一个皮球 ， 只要不动它 ， 仍然没有水波出现 。 但如果两个皮球在湖面互相绕着转动 ， 湖面就会产生水波向外传播——如果我们把湖面视作时空 ， 那么 ， 湖面产生的水波就是时空的波动 ， 也就是引力波 。
试想一下 ， 在宇宙的某个地方 ， 两个黑洞发生了碰撞 。 在碰撞发生前的最后几秒钟里 ， 它们在引力作用下一起绕着最终接触点完成了数千次的旋转 ， 使时空发生了剧烈振荡 。 碰撞之后 ， 这两个黑洞合并到一起 ， 形成了一个更大的黑洞 。 黑洞合并时 ， 无数能量则以纯引力 ， 也就是引力波的形式 ， 不停地向四周传播 ， 时空受到扰动而泛起涟漪——这种高强度的引力波 ， 总有一天会传播到地球 。
当然 ， 根据广义相对论 ， 引力波在传播过程中是不断衰减的 ， 也就是时空一弯一曲地从黑洞合并处向外传播 ， 刚开始弯曲扰动得特别厉害 ， 但传得越远对时空的扰动就越小 。 假设合并的黑洞距离地球10亿光年 ， 这也是为什么引力波到了地球就衰减得难以测量 ， 对地球物体产生的变形也微乎其微的原因 。
当引力波还在黑洞附近时 ， 假设它们的强度为1 ， 就是说 ， 物体有多大 ， 它就把物体拉伸或压缩多少 。 然而 ， 到达地球时 ， 引力波的强度将减小到约（1/30黑洞周长）/（波经过的距离） 。 对一个10亿光年远、10个太阳那么重的黑洞来说 ， 引力波强度为（1/30）×（180千米的黑洞周长）/（到地球的10亿光年）≈10-21 。 因此 ， 它使地球海洋发生的形变就为10-21×（107米的地球大小）=10-14米 ， 仅仅是原子核直径的10倍 。
想在地球汹涌的海洋上测量这么微小的潮汐是完全没有希望的 。 不过 ， 通过周密设计的实验室仪器来测量引力波的潮汐力 ， 还是有希望的——那就是引力波探测器 ， 即利用光的干涉原理 ， 观察引力波造成的干涉波形图样 。 在引力波的影响下 ， 会出现微小的光波波形变化 ， 这时光探测器就能感应到干涉条纹的变化 。

从预言到断言
尽管爱因斯坦曾经预言引力波的存在 ， 但爱因斯坦也曾经断言 ， 人类不可能测得到引力波 。 这是因为在人类发现的自然界四种基本相互作用中 ， 引力是最弱的一种 ， 只有弱作用力的亿亿亿亿分之一 。 爱因斯坦广义相对论的其他预言在如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应在提出以后都陆续都获得证实 ， 唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外 。

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