了不起的物理

55 什麽是引力波?

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“引力波”是一個非常熱門的詞,科學家在2015年用大型實驗儀器LIGO探測到了引力波的存在。實際上愛因斯坦在100年前,就已經在他的廣義相對論當中預言過引力波的存在。究竟什麽是引力波?為什麽我們過了100年才探測到它?

如前文所述,廣義相對論的核心理論是,時空是可以被扭曲的。引力波其實就是時空的扭曲程度在發生變化,不斷伸縮形成了波動並向全空間傳遞出去。就跟之前舉的例子一樣,你可以想象一張蹦**,放置了一個鉛球,蹦床會被鉛球壓得下陷。如果這時我們用手按住鉛球讓它上下運動,蹦床的表麵就會起起伏伏,然後這種起伏會沿著蹦床傳遞到它的邊緣。引力波就好像蹦床的起伏,是時空被扭曲程度的起伏。

原則上,你隻要抖動手臂,就能產生引力波。但引力是個非常弱的力,多弱呢?你可以這樣想象,手拿一根小鐵釘,你一鬆手,它就會落地。鐵釘是因為地球的引力才落地的。但這時你隻要用一塊非常小的磁鐵,就可以把鐵釘吸起來。也就是一塊小磁鐵的磁力就能輕鬆打敗整個地球作用在鐵釘上的引力,偌大地球的引力,還不如一塊小磁鐵的磁力大。引力實在是太弱了,我們的實驗儀器要足夠靈敏才能探測到它。

為什麽2015年我們探測到引力波了?首先,當然是人類的技術進步了,但更關鍵的是,2015年,宇宙中有兩個黑洞合並,變成了一個更加大的黑洞。當然,說是2015年探測到的引力波,但倆黑洞合並的大事件並不是在2015年發生的,而是在13億年前。引力波的傳播速度也是光速,黑洞合並發出的引力波信號是13億光年以外傳來的,所以這兩個黑洞其實是在13億年前合並的。黑洞的質量是極大的,極大的質量對應了極強的引力。隻有如此大動靜的天體事件,才能製造出強度足夠大的引力波讓LIGO探測到,所以人類運氣不錯,等到了這麽一個宇宙大事件。