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    引力波:愛(ài)因斯坦又對(duì)了

    2016-05-14 09:08:24冉浩
    知識(shí)窗 2016年4期
    關(guān)鍵詞:大石頭引力波愛(ài)因斯坦

    冉浩

    牛頓聲稱(chēng)因?yàn)楸惶O(píng)果砸到,所以發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力。但引力到底是個(gè)什么東西呢?牛頓也不知道。它看不清,摸不著。直到前不久,我們才真正觀察到了引力——美國(guó)的一個(gè)科研項(xiàng)目首次確認(rèn)了引力波的存在!但這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)高冷的引力波到底是什么呢?

    愛(ài)因斯坦的猜測(cè)

    20世紀(jì)上半葉是物理學(xué)群星璀璨的時(shí)代,愛(ài)因斯坦更是其中的杰出代表。他徹底顛覆了人類(lèi)的時(shí)空觀——在高速運(yùn)動(dòng)的世界里,光速不可超越,時(shí)間與空間也并不絕對(duì),而是相對(duì)的;在物體接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí),質(zhì)量會(huì)無(wú)限加大,而內(nèi)部的時(shí)間會(huì)比外部減慢……這個(gè)理論被稱(chēng)為狹義相對(duì)論,讓當(dāng)時(shí)一群自詡為聰明的大腦目瞪口呆。然而,愛(ài)因斯坦并沒(méi)有止步,他不僅提出了能量和質(zhì)量的轉(zhuǎn)化公式,奠定了核能的物理基礎(chǔ),還進(jìn)一步拋出了一個(gè)猜想——廣義相對(duì)論。

    在廣義相對(duì)論中,愛(ài)因斯坦將引力解釋為時(shí)空的幾何屬性,說(shuō)明白點(diǎn),就是大質(zhì)量的物質(zhì)會(huì)引起時(shí)空的扭曲。我們也可以打個(gè)比方,比如現(xiàn)在我們面前有一張蹦床,然后,我們放一塊大石頭上去,假設(shè)床沒(méi)蹋,會(huì)怎樣?你會(huì)看到蹦床放石頭的那一塊凹下去了——時(shí)空扭曲了。如果這時(shí)我們?cè)俜乓粋€(gè)玻璃球在蹦床上呢?因?yàn)橹虚g凹了一塊,小球就會(huì)朝凹的那里滾動(dòng),也就是沖向石頭,小球越滾越快,然后,嘣!撞上石頭,碎了。一次小行星撞擊地球的事件,也許就是這么發(fā)生的。

    如果要想不撞上,小球就必須具有一定的速度。當(dāng)速度達(dá)到一定程度時(shí),小球就會(huì)圍繞著凹陷的邊緣旋轉(zhuǎn)——這就是衛(wèi)星。當(dāng)然,如果小球再快一些,它就能從坑里沖出去,然后擊中圍觀的某個(gè)人,這就是脫離了引力場(chǎng)。如果是兩個(gè)質(zhì)量差不多的天體,或者說(shuō),兩塊大石頭在蹦床上互相圍繞滾動(dòng)呢?如果蹦床的老板還沒(méi)有破口大罵,我們會(huì)看到什么呢?蹦床表面應(yīng)該會(huì)震動(dòng),或者說(shuō)以它們?yōu)橹行脑诋a(chǎn)生波紋,最后兩塊大石頭會(huì)越來(lái)越近,最后,砰!撞在一起,運(yùn)動(dòng)停止,大量的能量釋放出來(lái)。然后,以撞擊點(diǎn)為中心,蹦床表面開(kāi)始上下劇烈抖動(dòng)——更強(qiáng)大的波動(dòng)產(chǎn)生了。這些震動(dòng)和波動(dòng),都是引力波。問(wèn)題是,愛(ài)因斯坦的理論對(duì)嗎?我們能夠檢測(cè)到引力波嗎?

    能不能找到它?

    盡管在當(dāng)時(shí)看來(lái),愛(ài)因斯坦的很多理論驚世駭俗,甚至諾貝爾頒獎(jiǎng)委員會(huì)在給他頒獎(jiǎng)時(shí)也只提了他的光電效應(yīng),但是他的相對(duì)論卻在后世被一一印證。那這位跨時(shí)代的科學(xué)巨匠所預(yù)言的引力波,會(huì)被找到嗎?

    老實(shí)說(shuō),這真的有點(diǎn)難。

    首先,引力波的傳播速度很快,與光速相同,沒(méi)有任何速度能夠超過(guò)它;其次,我們無(wú)法感知到引力波的擴(kuò)散——不管你的時(shí)空被輕微拉長(zhǎng)或者壓扁,你都不會(huì)有任何感覺(jué),已有的物理儀器也一樣。當(dāng)然,這也帶來(lái)了一個(gè)好處,那就是,引力波在宇宙中的傳播幾乎不會(huì)衰減,即使空間的擾動(dòng)源離我們很遠(yuǎn),它經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年后,依然能夠傳播到我們這里。唯一能夠跟上引力波的步伐,探測(cè)到它的,可能也只有光了??茖W(xué)家決定用波長(zhǎng)恒定的激光來(lái)探測(cè)引力波,或者說(shuō),用它來(lái)探測(cè)可能產(chǎn)生的時(shí)空扭曲。

    為此,科學(xué)家啟動(dòng)了LIGO項(xiàng)目,他們?cè)O(shè)計(jì)了兩條垂直的光路進(jìn)行干涉,如果空間沒(méi)有扭曲,接收器就不會(huì)接收到激光,反之,激光就會(huì)照在接收器上。

    不過(guò),這個(gè)儀器要多靈敏呢?它必須能夠檢測(cè)出10~21米這么小的距離變化,或者說(shuō),只相當(dāng)于質(zhì)子直徑的千分之一!

    其結(jié)果就是,如此精密的設(shè)備極容易受到干擾——周?chē)牡刭|(zhì)活動(dòng)會(huì)影響它,車(chē)輛行駛會(huì)影響它……這好比是一個(gè)守財(cái)奴在喧囂的集市里專(zhuān)心地聽(tīng)哪位仁兄會(huì)掉一個(gè)鋼镚兒,然后趕緊沖過(guò)去踩住它。為此,項(xiàng)目組想到了一個(gè)絕妙的方案,他們?cè)诰嚯x遙遠(yuǎn)的地方分別設(shè)置了探測(cè)儀器,這樣,小范圍的擾動(dòng)就不可能同時(shí)干擾到兩臺(tái)儀器,而具有宇宙尺度的引力波顯然會(huì)同時(shí)作用到兩臺(tái)儀器上,于是,兩組儀器同時(shí)產(chǎn)生響應(yīng)才算有效。之后,科學(xué)家還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)和排除。后來(lái),意大利的VIRGO引力波探測(cè)器也加入了聯(lián)合探測(cè),三地聯(lián)合測(cè)量,使結(jié)果更加準(zhǔn)確。此外,LIGO又升級(jí)了一次,變成了aLIGO。萬(wàn)事俱備,只欠東風(fēng)。

    來(lái)自黑洞的禮物

    盡管小心謹(jǐn)慎,還鬧了一次烏龍。2010年9月,LIGO項(xiàng)目探測(cè)到了大概來(lái)自大犬座方向的引力波,整個(gè)項(xiàng)目組歡騰起來(lái),甚至論文都寫(xiě)好了,然后有人站出來(lái)說(shuō),他們對(duì)此事件負(fù)責(zé)……事實(shí)上,為了確保項(xiàng)目探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,還有一方人馬專(zhuān)門(mén)在背地里制造人為干擾,而負(fù)責(zé)探測(cè)的科學(xué)家卻并不知情。在這樣的短兵交鋒中,“紅方”在“藍(lán)方”的壓迫下升級(jí)技術(shù),完善理論,一點(diǎn)一點(diǎn)提升可靠度。所有這一切,都為了小心謹(jǐn)慎,以便在真正的探測(cè)到引力波時(shí),既不會(huì)錯(cuò)失機(jī)遇,又具有足夠的說(shuō)服力。

    2015年9月14日,LIGO項(xiàng)目終于探測(cè)到了引力波!

    經(jīng)調(diào)查,這應(yīng)該是兩個(gè)大質(zhì)量的黑洞在相互繞行后碰撞在一起造成的。強(qiáng)烈的撞擊釋放了巨大的能量,造成了時(shí)空的劇烈震蕩,然后,經(jīng)過(guò)10億年的漫長(zhǎng)旅行,其產(chǎn)生的引力波終于傳到了地球,并被守株待兔的科學(xué)家所截獲。

    之后,科學(xué)家又花了幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)確認(rèn)其可靠性,終于在2016年年初得到了肯定的結(jié)果。自此,愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論得到了一個(gè)強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)支持,這位偉大的物理學(xué)家又對(duì)了!

    而這也為我們打開(kāi)了一個(gè)新的紀(jì)元——我們獲得了一種新的觀測(cè)手段,將能夠通過(guò)引力波來(lái)察看宇宙,獲知天體演化,甚至探求那些余波,追溯到宇宙起源之初,從而更好地理解宇宙。長(zhǎng)久以來(lái),人類(lèi)渴望在知識(shí)上超越時(shí)空,而現(xiàn)在,我們又向前邁出了一步。

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