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文 陈玉莹图 东方IC
今年的奥斯卡颁奖典礼上,万年陪跑的莱昂纳多·迪卡普里奥终于捧得了小金人.回顾小李子的经典之作,《泰坦尼克号》自然少不了.穷画家杰克和贵族少女露丝不顾世俗的偏见彼此相爱,他们在船头拥抱,在房间作画,在下等舱共舞……
暂停一下.看到他们旋转跳舞的场景,你会想到什么呢？
普通青年：美好得不像话的爱情！
物理专业的青年：嗯,微不足道的引力波……
咦,同学,这话怎么说？
2016年2月11日,美国科研人员宣布他们利用激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到了引力波的存在.两个黑洞在约13亿年前碰撞,两个巨大质量的物体结合所传送出的扰动,最终于2015年9月14日抵达地球并被检测到.听到这个消息,我们仿佛能看到那个名叫爱因斯坦的小老头眨巴着眼睛说：“嘿,我在100年前的预测说得没错吧？”
让我们来想象一下吧.想象时空是一块巨大的、紧绷的毯子.放上任何一个有质量的物体,都会让毯子下凹,即让毯子表面发生弯曲.苗条的白雪公主站上去,产生小弯曲；敦实的猪八戒站上去,产生大弯曲.
同理,如果把时空想象成湖面,一个皮球放在湖面上,会让水面凹陷、弯曲.如果球是静止的,那么湖面也是静止的；如果球是运动的,那么湖面会泛起阵阵涟漪.质量越大,运动越快,涟漪也越大,这就是引力波.
有质量的物体使它周围的时空发生扭曲,物体的质量越大,时空就扭曲得越厉害.这是爱因斯坦广义相对论中关于引力波的最简单的论述.
这一次LIGO团队所说的引力波是两个球在转动时产生的引力波,它们长这样（见上面大图）.两个黑洞“旋转”跳舞会产生引力波,两个人“旋转”跳舞也会产生引力波,所以学物理的学生一不小心就会用错误的打开方式观看浪漫的爱情电影.不过,人们在跳舞时产生的引力波微乎其微,只有质量很大的物体产生的引力波才有可能被探测到,因而两个人产生的引力波实际上是没法探测到的.
到这里,我们已经可以概括出探测到引力波的基本条件：
（1）两个质量非常非常大的物体.
（2）它们非常非常快地相对旋转.
（3）用比较厉害的探测方法.
那么,这次我们探测到的是什么呢？
一个是29倍太阳质量的黑洞.
一个是36倍太阳质量的黑洞.
它们靠近、碰撞、并合得到了62倍太阳质量的如下图猪鼻子一样的玩意儿.这就满足了前两个条件.
但是,小学数学老师教过我们,36+29等于65,剩下的3倍太阳质量去哪儿了呢？
以引力波的形式辐射出来了！
当引力波穿行时,它会拉伸或者挤压任何途中遇到的物体,不过这个拉伸或者挤压产生的能量是非常微小的,最多大概只有10-21m.我们平时使用的尺子最小的刻量也才1mm,也就是10-3m,肯定无法探测到,所以我们得用上“光速”这把尺子.
我们的测量设备是一个巨大的“L”形,有两个互相垂直并保持超真空状态的空心圆柱体作为两个测量臂（如右上图）.两臂的尽头,我们可以理解为一面镜子,激光发射然后反射回来,通过激光在测量臂中经过的时间,就可以测出两臂的长度.
仔细观察右上两幅图中蓝色线条方块的变化.引力波的涟漪中,时空不停地被压缩,变成又高又瘦,然后被拉伸,变成又矮又胖.随着这种时空畸变,控测器的双臂也在不停地被挤压或拉伸,而这个变化,被LIGO团队观测到了.
探测出引力波,意义究竟是什么呢？
如果说地球是一个失聪的人,那么这一刻它终于听到宇宙说话了；如果说地球是一个失明的人,那么这一刻它终于看见宇宙了.
现在,我们可以用引力波,来观测用肉眼、望远镜或电磁波都无法看到的黑洞,还有占了宇宙质量95.1%的暗物质和暗能量.
同时,引力波是爱因斯坦广义相对论的最后一个重要部分.引力波被探测出来之后,广义相对论的最后一部分也被证实了.
最后,引力波也许能让科幻电影中经常出现的时间旅行成为可能.宇宙中已知的四种基本力包括强力、弱力、电磁力和引力.前三种力都存在于我们熟悉的三维世界中,而引力波存在于时空中,即四维世界,它是唯一能跨越不同维度的作用力.也就是说,它能影响三维世界存在的第四维——时间.通过研究引力波,或许有朝一日,我们真的可以实现时间旅行.
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