了不起的物理

56 為什麽過了100年我們才探測到引力波?

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愛因斯坦的廣義相對論是20世紀最重要的物理學成就之一,廣義相對論的一大預言就是存在“引力波”。廣義相對論認為不存在萬有引力,萬有引力無非是因為時空的扭曲,使得物體的運動狀態發生改變。如果這種運動狀態的改變硬要用牛頓定律來解釋的話,導致必須加一個概念叫引力,但本質上引力不是一個真的力。

如果時空扭曲的理論是正確的,那麽就可以想象,時空就跟彈性體一樣。比如,一個蹦床,有人在上麵蹦來蹦去,蹦床的扭曲狀態就一直在變。如果時空的扭曲程度一直在隨時間發生改變,這種時空扭曲程度的改變也應該可以傳播出去。時空扭曲程度變化規律的傳遞就是引力波。

引力波很難探測,愛因斯坦提出廣義相對論以後100年才被LIGO捕捉到。因為引力實在是太弱了,但大型實驗裝置LIGO於2015年探測到了引力波。它是怎麽做到的呢?

LIGO主要由兩條相互垂直、長4千米的光路構成。光路足夠長,才能看出時空扭曲程度的變化。發射一道激光,到達兩道光路的交會點處,被分成兩束激光。這兩束光會分別進入兩條光路,傳播到光路的終點再回彈,回彈以後匯聚到同一處,這兩條激光會產生幹涉現象並形成幹涉條紋。

這時如果有引力波傳遞過來,兩條光路的長短會因為時空的扭曲而發生變化。由於這兩條光路是相互垂直的,引力波除非剛好是以45度夾角傳遞過來,否則兩條光必定經受不同大小的長度變化。也就是說,引力波傳遞過來,兩條光路的長短改變了,且改變的程度不一樣。如此一來,兩條激光走過的路程就不一樣長了,它們再匯聚的時候,幹涉的情況就會變化,幹涉條紋就會隨之變化。

就在2015年9月,這個變化被察覺到了。LIGO給出了一個信號,這個信號被稱為“黑洞在唱歌”。這是13億光年之外,兩個黑洞融合成一個大黑洞的過程中,強烈撕扯扭曲時空所致,也隻有劇烈到黑洞等級的天文現象,才能讓時空的扭曲程度足夠強,被人類的實驗儀器探測到。即便如此,時空扭曲的起伏還是很小。據說為了探測這次的引力波,要讓實驗儀器的精度達到的百分比,差不多是一根頭發絲的直徑除以北京到上海的距離。