引力波是什么，發(fā)現(xiàn)它為啥能得諾貝爾獎(jiǎng)，有什么重大意義？

引力波是本世紀(jì)證實(shí)存在的最重要科學(xué)事件，一度時(shí)期成為媒體熱炒，弄得一些民科混子也趁機(jī)從中作亂，甚至有那么一個(gè)人宣稱自己發(fā)現(xiàn)了引力波，實(shí)在荒唐可笑?？吹皆S多網(wǎng)絡(luò)朋友對(duì)引力波還是一知半解，今天我們就來(lái)普及一下引力波的常識(shí)。

引力波是什么

引力波是愛(ài)因斯坦100年前，在廣義相對(duì)論中的一個(gè)預(yù)言。廣義相對(duì)論認(rèn)為，只要是非零質(zhì)量的物體，都會(huì)導(dǎo)致時(shí)空彎曲，這種彎曲會(huì)形成一個(gè)向外無(wú)限延伸的“場(chǎng)”，所有物體包括光都只能在這彎曲的時(shí)空中沿著短程線運(yùn)動(dòng)，時(shí)空彎曲的效果就是以引力的方式表現(xiàn)出來(lái)。

這樣，牛頓經(jīng)典力學(xué)的萬(wàn)有引力理論就得到了一次質(zhì)的升華，從根源上解釋了引力是怎么來(lái)的。根據(jù)時(shí)空彎曲理論，任何物質(zhì)，只要有質(zhì)量而不管其大小，都會(huì)對(duì)周邊時(shí)空造成彎曲。

這些物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的變化，就會(huì)對(duì)周圍時(shí)空造成擾動(dòng)，形成像一塊石頭丟進(jìn)水里那種一圈圈波紋，向遠(yuǎn)方擴(kuò)散，這就是引力波，又叫時(shí)空漣漪。

這種波不是瞬時(shí)傳遞的，而是以光速傳播。

那么既然在我們周圍遍布物質(zhì)，這些物質(zhì)都在不停地運(yùn)動(dòng)和變化，就會(huì)造成引力波，那為什么愛(ài)因斯坦的預(yù)言提出100多年來(lái)，科學(xué)家們窮盡各種辦法，一直沒(méi)有檢測(cè)到引力波的存在呢？這是因?yàn)椋?/p>

引力波是十分微弱的波，很難檢測(cè)到。

引力是四種基本力中最小的力，引力常量只有6.67*10^-11N，也就是兩個(gè)1公斤物質(zhì)質(zhì)心距離1米時(shí)的引力值。引力的這種特點(diǎn)，導(dǎo)致小質(zhì)量物體產(chǎn)生的引力波就很難探測(cè)出來(lái)，如我們兩個(gè)人，或一架飛機(jī)、一座山的引力，我們根本無(wú)法感覺(jué)到。

因此，并非是小天體不發(fā)出引力波，而是難以探測(cè)而已。

上個(gè)世紀(jì)七十年代，美國(guó)麻省大學(xué)泰勒教授和他的學(xué)生赫爾斯，通過(guò)觀察雙中子星相互纏繞的現(xiàn)象，用愛(ài)因斯坦的理論精確計(jì)算出量顆中子星軌道變化，從而間接證實(shí)了引力波的存在。由此他們獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但引力波存在的直接證據(jù)一直沒(méi)有得到。

直到2016年2月11日，一組美國(guó)科學(xué)家宣布，他們探測(cè)到了引力波的存在。這個(gè)發(fā)現(xiàn)被科學(xué)界認(rèn)為完成了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言中最后一塊缺失的“拼圖”。之前愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的光線彎曲、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、引力紅移效應(yīng)及引力透鏡、黑洞、宇宙微博背景輻射等，都被一一證實(shí)，只缺了這一塊。

這是一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，由此將對(duì)未來(lái)宇宙天文學(xué)的發(fā)展和宇宙觀測(cè)，具有不可估量的突破性意義。為此，三位發(fā)現(xiàn)者雷納·韋斯（ Rainer Weiss）、基普·索恩（ Kip Thorne）、巴里·巴里什（Barry Barish）共同被授予了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

引力波探測(cè)的進(jìn)展

最早嘗試探測(cè)引力波的是美國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·韋伯，他設(shè)計(jì)制造了一個(gè)共振棒探測(cè)器，其核心部件是一根長(zhǎng)2米直徑0.5米的鋁棒，原理是當(dāng)引力波到達(dá)地球時(shí)，會(huì)交錯(cuò)擠壓拉伸鋁棒的兩端。但前提是引力波頻率必須和鋁棒設(shè)計(jì)頻率一致，這種探測(cè)局限性是很大的，探測(cè)到微弱的引力波幾乎是不可能的。

雖然韋伯聲稱探測(cè)到了引力波，但一直存在爭(zhēng)議，沒(méi)有得到科學(xué)界認(rèn)定。1972年，科學(xué)家們?cè)诼槭±砉W(xué)院召開了一次引力波研討會(huì)，有兩位科學(xué)家，一位叫托尼·泰森，一位叫理查德·高文，他們都宣稱韋伯的發(fā)現(xiàn)不存在，并指出其中的某些錯(cuò)誤。

尤其是高文，固執(zhí)的不信任韋伯，韋伯異常沮喪，兩人的爭(zhēng)執(zhí)越來(lái)越厲害，竟發(fā)展到準(zhǔn)備拳腳相向。正要開打時(shí)，主持會(huì)議的菲利普·莫里森教授一瘸一拐地走過(guò)來(lái)，舉起拐杖將他們分開，這場(chǎng)爭(zhēng)執(zhí)才不了了之。

韋伯的探測(cè)成果雖然未得到承認(rèn)，但他畢竟開了探測(cè)引力波之先河，由此激發(fā)了許多年輕科學(xué)家們探測(cè)的興趣，人們?cè)谒舱裉綔y(cè)器基礎(chǔ)上，發(fā)明了基于邁克爾遜干涉儀原理的引力波激光干涉儀探測(cè)方案，這樣引力波感應(yīng)壁就是激光了，這樣將韋伯探測(cè)器的頻率局限拉寬了很多，臂長(zhǎng)也拉到千米級(jí)以上。

這樣，引力波探測(cè)頻率和精度都得到了很大提高。人類首次直接探測(cè)到引力波存在的設(shè)備，是一臺(tái)叫“激光干涉引力波天文臺(tái)”的設(shè)備，簡(jiǎn)稱LIGO。2015年12月26日世界時(shí)間凌晨3點(diǎn)38分53秒，LIGO首次探測(cè)到一個(gè)引力波信號(hào)，雖然這個(gè)信號(hào)只將這個(gè)探測(cè)器4公里長(zhǎng)臂移動(dòng)了一個(gè)質(zhì)子直徑萬(wàn)分之一的尺度，卻被敏感的捕捉到了。

質(zhì)子的直徑約1.6*10^-15米，這個(gè)尺度多大呢？我們用人的頭發(fā)來(lái)比喻比較直觀：人的頭發(fā)最粗可以達(dá)到100微米，是質(zhì)子直徑的625億倍。而這次引力波對(duì)探測(cè)器4公里長(zhǎng)臂的振動(dòng)干擾，只偏移了一根頭發(fā)絲的625萬(wàn)億分之一。

這就是現(xiàn)代科學(xué)能達(dá)到的高度，而且這種高度還在提升。

據(jù)歐洲航天局宣稱，計(jì)劃建造的空間引力波項(xiàng)目eLISA（演化激光干涉空間天線），是發(fā)射三顆衛(wèi)星，將三個(gè)相同的探測(cè)器激光干涉臂延伸到500萬(wàn)公里長(zhǎng)，三顆衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)為500萬(wàn)公里的等邊三角形。使用這樣的激光干涉法來(lái)探測(cè)引力波，精度將大大提升。

中國(guó)也在籌建類似eLISA引力波空間探測(cè)項(xiàng)目，是由中山大學(xué)羅俊院士領(lǐng)銜的“天琴計(jì)劃”，將在地球上空10萬(wàn)公里軌道，設(shè)置三個(gè)衛(wèi)星，形成等邊三角形，間距在10萬(wàn)公里之上的引力波探測(cè)激光干涉臂。

從這些發(fā)展迅速的引力波探測(cè)裝置來(lái)看，上世紀(jì)之所以無(wú)法直接證實(shí)引力波的存在，是因?yàn)橐Σǖ哪芰刻⑷趿?，那時(shí)的設(shè)備精度無(wú)法感受這種微弱振動(dòng)。而在未來(lái)，將探測(cè)到越來(lái)越小的引力波。

為啥黑洞碰撞發(fā)生的引力波常被探測(cè)到

黑洞是宇宙中的頂級(jí)極端天體，一是質(zhì)量大，最小的黑洞也有3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量以上；二是引力極端，在其史瓦西半徑內(nèi)，任何物質(zhì)都無(wú)法逃逸，連光也不例外；三是角動(dòng)量大，被黑洞強(qiáng)大吸引力捕捉的天體和物質(zhì)，在其附近都被撕碎，然后圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，臨近黑洞事件視界（史瓦西半徑臨界點(diǎn)）時(shí)，線速度可達(dá)每秒數(shù)千公里甚至數(shù)萬(wàn)公里，有時(shí)接近光速。

這樣的黑洞碰撞，爆發(fā)出的能量和引力波當(dāng)然就更強(qiáng)大更容易被監(jiān)測(cè)到了。自從發(fā)現(xiàn)了引力波，證明黑洞相撞的引力波是最強(qiáng)大的，其次才是中子星的引力波。當(dāng)然，在地球上探測(cè)到的引力波能量，與引力波源與我們的距離成反比，也就是距離越近探測(cè)到的能量相對(duì)越大。

人類首次探測(cè)到并證實(shí)引力波存在的是兩個(gè)黑洞相撞，科學(xué)家們估計(jì)這兩個(gè)黑洞質(zhì)量分別在36個(gè)和29個(gè)太陽(yáng)這么大，合并后的總質(zhì)量約62個(gè)太陽(yáng)，另外損失的3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量轉(zhuǎn)化為引力波向太空擴(kuò)散了。這個(gè)引力波能量是巨大的，會(huì)迸發(fā)出強(qiáng)烈的伽馬射線和數(shù)萬(wàn)億度的高溫。

但這兩個(gè)黑洞相撞事件距離我們太遠(yuǎn)了，有13億光年。這樣巨大的引力波經(jīng)歷了13億年的傳輸，到達(dá)地球的時(shí)空漣漪，就只推動(dòng)了探測(cè)儀器4公里長(zhǎng)臂移動(dòng)1個(gè)質(zhì)子直徑的萬(wàn)分之一尺度。

除了黑洞，人類探測(cè)到的引力波源發(fā)自中子星。

2017年10月16日，世界許多國(guó)家的科學(xué)家同步舉行新聞發(fā)布會(huì)，宣布人類第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波。這次與以往不同的是，許多科研機(jī)構(gòu)通過(guò)各種望遠(yuǎn)鏡同時(shí)“看到”這一壯觀的宇宙事件發(fā)出的電磁信號(hào)。這次的發(fā)現(xiàn)，更加證實(shí)了引力波運(yùn)動(dòng)速度與光速的一致性。

這次碰撞發(fā)生在距離我們1.3億光年的深空，也就是說(shuō)引力波經(jīng)歷了1.3億年才傳送到了我們地球。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，這次碰撞，產(chǎn)生了約300個(gè)地球質(zhì)量的黃金，還產(chǎn)生了鉑、汞、鈾等大量重金屬。碰撞產(chǎn)生了強(qiáng)烈的伽馬射線暴，達(dá)到2萬(wàn)億度高溫。

我們地球上的黃金等貴重金屬，都是宇宙中這種極端事件中產(chǎn)生的，地球本身生成不了任何重元素。

2019年，LIGO又探測(cè)到了兩顆中子星相撞事件，這次發(fā)現(xiàn)是靜悄悄的，沒(méi)有哪個(gè)科學(xué)機(jī)構(gòu)觀測(cè)到電磁信號(hào)。但這次對(duì)中子星的質(zhì)量以及碰撞后合并的質(zhì)量有了新發(fā)現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)這次碰撞的兩顆中子星質(zhì)量合計(jì)達(dá)到太陽(yáng)的3.4倍，比以往在銀河系發(fā)現(xiàn)的任何中子星雙星質(zhì)量都要大。

由此可見(jiàn)，引力波的能量除了黑洞相撞，就是中子星相撞。到現(xiàn)在為止，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他宇宙事件的引力波。當(dāng)然超新星爆發(fā)也會(huì)產(chǎn)生能量較大的引力波，我想未來(lái)也很容易探測(cè)到。

發(fā)現(xiàn)引力波的意義和重要作用

前面說(shuō)了，引力波發(fā)現(xiàn)將對(duì)天文宇宙學(xué)發(fā)展以及宇宙探索有著重大突破性意義。為什么這么說(shuō)呢？這是因?yàn)橐Σㄌ綔y(cè)將彌補(bǔ)電磁波和光學(xué)探測(cè)的不足，可以探測(cè)宇宙更遠(yuǎn)更深入的情況。

我們知道，在宇宙中存在的四種基本力中，引力和電磁力作用范圍都是無(wú)限遠(yuǎn)。光學(xué)和各種射電、射線都屬于電磁力范疇，理論上雖然可以探測(cè)無(wú)限遠(yuǎn)，但光電探測(cè)有一個(gè)致命弱點(diǎn)，就是會(huì)被物質(zhì)所吸收和遮擋。而宇宙中充滿了塵埃和各種天體，因此，遠(yuǎn)方天體很容易被遮擋住，就很難探測(cè)到，或者難以探測(cè)得很清楚。

根據(jù)大爆炸宇宙模型，在宇宙大爆炸開始，到38萬(wàn)年之間這個(gè)時(shí)間段，宇宙處于極端高溫高密度狀態(tài)，這段時(shí)間電磁波是被屏蔽的，無(wú)法溢出，也就是各種波段的光都被禁錮宇宙一鍋濃密的粒子湯里面，對(duì)人類來(lái)說(shuō)是伸手不見(jiàn)五指的黑暗時(shí)期。

而宇宙在這38萬(wàn)年間，發(fā)生了巨大變化，經(jīng)歷了普朗克時(shí)間的普朗克溫度，也就是大爆炸開始10^-43秒時(shí)，宇宙溫度為10^32K，大小只有10^-35米的尺度。以后又在10^-35秒時(shí)，發(fā)生了僅持續(xù)10^-33秒時(shí)間的暴漲，在這短短一瞬宇宙膨脹發(fā)生了100次加倍，也就是體積瞬間增加了10^30倍。

宇宙的四種基本力、各種粒子、電子、中子、質(zhì)子、一直到中性原子生成的過(guò)程，都在這段時(shí)間里。那么，這一切是怎么發(fā)生的，是不是符合模型預(yù)測(cè)，如果只是依靠電磁波和可見(jiàn)光來(lái)探測(cè)，人類就永遠(yuǎn)也無(wú)法知曉。

因此，在沒(méi)發(fā)現(xiàn)引力波之前，人們把這段時(shí)期的宇宙叫“過(guò)去視界”，與可觀測(cè)宇宙之外的“未來(lái)視界”，是人類兩個(gè)無(wú)法探知的禁區(qū)。

引力波的發(fā)現(xiàn)和證實(shí)，為人類探測(cè)這段黑暗時(shí)期帶來(lái)了曙光?？茖W(xué)家們認(rèn)為，只要未來(lái)人類的探測(cè)裝置足夠精密，總有一天，人類能夠探測(cè)到從宇宙大爆炸開始那一瞬間到38萬(wàn)年電磁波（光線）出現(xiàn)前，這段黑暗時(shí)期的全部情況，人類將進(jìn)一步了解宇宙的起源和變化過(guò)程。

雖然人類可能永遠(yuǎn)也無(wú)法知道“未來(lái)視界”的情況，但通過(guò)對(duì)宇宙起源到現(xiàn)在的走向，基本就可以更精確地推測(cè)出宇宙的歸宿了。

因此，引力波的發(fā)現(xiàn)和證實(shí)，是人類在天文宇宙探測(cè)方面一個(gè)最偉大的進(jìn)步，也是愛(ài)因斯坦對(duì)人類貢獻(xiàn)一個(gè)新的里程碑。

看了這些科普介紹，不知道各位朋友是不是對(duì)引力波有了一些更清晰的理解？歡迎討論，感謝閱讀。

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