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情人節(jié)撞上引力波

 真友書(shū)屋 2016-02-14
編者按

任何有質(zhì)量的物體都會(huì)有引力,那么情人們之間的引力波是不是更特殊一些呢。答案要超脫人們的日常經(jīng)驗(yàn),特別是談情說(shuō)愛(ài)者的經(jīng)驗(yàn)。引力波并不認(rèn)得你和你的情人,它只決定于你的質(zhì)量。質(zhì)量能讓空間彎曲,愛(ài)也能讓時(shí)空彎曲,但后者只是一個(gè)比喻。而前者則是物理。這篇文章用人話告訴你,引力波是怎么回事兒。


只要是開(kāi)心的節(jié)日都是值得慶祝的,有情人的開(kāi)心,沒(méi)有情人也在被愛(ài),大家情人節(jié)快樂(lè)!

當(dāng)情人節(jié)裝上引力波

文/杜篆之



早在引力波被實(shí)驗(yàn)證實(shí)之前,就已經(jīng)是各種科幻作品里的重要角色。


好萊塢大片《星際穿越》里,馬修·麥康納雖然被禁閉在黑洞時(shí)空里,仍然可以利用引力波給女兒發(fā)暗號(hào)。中國(guó)當(dāng)前最紅的科幻小說(shuō)《三體》里,引力波成了宇宙黑暗森林里燈塔般的強(qiáng)力信號(hào)。


你和宇宙的起源


今年北京時(shí)間大年初四的晚上,引力波走出了科學(xué)和科幻的城池,成了全世界的談資。不知道引力波,你都不好意思出門。


社會(huì)大眾的物理知識(shí)水平,想要搞清楚引力波是什么,不是一件容易的事。好在人類有類比的認(rèn)知能力,用一些容易理解的東西做藥引子,多少能消化一些貌似高深的科學(xué)道理。


那我們就從宇宙起源說(shuō)起。“我從哪里來(lái)?”是每個(gè)人都能明白的話題。這個(gè)問(wèn)題一路問(wèn)到底,就成了“宇宙從哪里來(lái)?”


當(dāng)代物理學(xué)對(duì)此有一個(gè)被公認(rèn)的理論,那就是大爆炸理論。這個(gè)理論認(rèn)為,宇宙起源于一個(gè)奇點(diǎn)。奇點(diǎn)是個(gè)不容易理解的概念,可以簡(jiǎn)單理解為一個(gè)點(diǎn),一個(gè)非常非常小,小到?jīng)]有體積的點(diǎn),從這個(gè)點(diǎn)開(kāi)始,發(fā)生了一次劇烈的爆炸,這次爆炸延續(xù)了大約150億年,形成了現(xiàn)在的宇宙。


要我說(shuō),這個(gè)宇宙誕生的理論毫無(wú)美感和人性可言。即便從想象力的角度來(lái)看,它和上帝創(chuàng)世、女?huà)z造人等理論沒(méi)法比。宇宙大爆炸是一個(gè)冷冰冰的、機(jī)械的、枯燥無(wú)味的理論。然而,各種科學(xué)觀察和科學(xué)試驗(yàn)都表明,到目前為止,這個(gè)理論非常完美地解釋了宇宙的起源。



可以這么說(shuō),宇宙的誕生就是無(wú)中生有。宇宙就是這么任性,這么不講理。作為人類,你跟誰(shuí)講理去?


按照常人對(duì)“爆炸”這個(gè)詞的感覺(jué),爆炸是一種毀滅;然而,對(duì)于宇宙來(lái)說(shuō),爆炸卻是一種新生。在爆炸中誕生的宇宙,誕生了各種夜空中看起來(lái)美輪美奐的星系,誕生了各種亮度不等的恒星,誕生了形態(tài)各異的行星,最后誕生了藍(lán)色的地球,誕生了智慧的人類。


為什么大爆炸沒(méi)有讓宇宙灰飛煙滅?因?yàn)橛幸Γ?/span>


作為救世主的引力


引力的發(fā)現(xiàn)是人類的創(chuàng)舉。這要感謝天才的牛頓。根據(jù)傳說(shuō),也許還要感謝蘋(píng)果。自從牛頓提出萬(wàn)有引力之后,宛如井底之蛙的人類,居然能夠通過(guò)計(jì)算洞悉未知天體的存在和軌道。這才是現(xiàn)代科學(xué)的真正起源。從此,星星不再是神靈的居所,也不是按照超自然意志運(yùn)動(dòng)的金色小釘子,它們不過(guò)是按照牛頓定律運(yùn)動(dòng)的一團(tuán)物質(zhì)。


正是因?yàn)橛幸Φ拇嬖冢钪娲蟊ㄖ笳Q生的物質(zhì)才能夠就近組團(tuán),形成星系。否則的話,整個(gè)宇宙就是一團(tuán)粉塵,或者一團(tuán)氣體。用城里人能聽(tīng)懂的話說(shuō)就是:若非引力,宇宙就全是霧霾。


所以說(shuō),引力才是救世主。正是引力的存在,才把宇宙從霧霾的灰暗圖景中拯救出來(lái)。那么,引力波又是什么東西?


在牛頓的物理世界里,是沒(méi)有引力波的。物體之間的引力可以瞬間跨越全宇宙。任何一個(gè)人,他的引力對(duì)全宇宙瞬間生效。在地球人看來(lái),這完全符合他的生活經(jīng)驗(yàn)。


突破生活經(jīng)驗(yàn)需要超強(qiáng)的智慧。所謂天才就是這樣的人。所以,愛(ài)因斯坦被稱為天才。愛(ài)老爺子以相對(duì)論聞名世界。普羅大眾也許并不知道,相對(duì)論其實(shí)有兩個(gè):一個(gè)狹義相對(duì)論,一個(gè)廣義相對(duì)論。這是完全不同的兩個(gè)理論。


狹義相對(duì)論最重要的是,提出了光速不變?cè)?。這不是本文講的重點(diǎn),所以略去。廣義相對(duì)論探討的主要就是引力問(wèn)題。


愛(ài)因斯坦的天才就在于洞察到引力的秘密。他說(shuō),引力的傳播也是需要時(shí)間的,而且引力傳播速度是光速。


這再一次證明了,時(shí)間是世界上最寶貴的東西。就連引力這個(gè)救世主都需要它。寫(xiě)到這里,不由得想到了一句著名的解說(shuō)詞,“留給中國(guó)隊(duì)的時(shí)間不多了”。


既然任何一個(gè)物體都會(huì)產(chǎn)生引力,而引力又會(huì)以光速傳播;那么只要這個(gè)物體動(dòng)起來(lái),引力的傳播就會(huì)變化,變化的引力傳播呈現(xiàn)出波動(dòng)的特性,這就是引力波。(引力波還牽扯時(shí)空彎曲的概念,在此略去。)


換句話說(shuō),你的身體產(chǎn)生的那一點(diǎn)微弱的引力,需要150億年才能傳遍全宇宙。這是不是讓你覺(jué)得人類很渺???別悲觀,即便偉大如太陽(yáng),它也需要這么多時(shí)間。


證據(jù)、證據(jù),還是證據(jù)


科學(xué)研究有時(shí)候就是個(gè)黑箱游戲。你知道箱子里有東西,但你就是打不開(kāi)箱子,不知道里面具體是什么玩意。引力波就是裝在宇宙黑箱里的這么個(gè)東西。也可以說(shuō)它像穿上隱身衣的哈利波特,或者帶上魔戒的佛羅多。盡管你可能知道它在那里,但你就是看不見(jiàn)。


人的天性就是對(duì)不能直接看見(jiàn)的東西有懷疑。比如說(shuō)品德、理想之類,引力波也在其列。


自從愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在之后,當(dāng)今全世界的物理學(xué)家都相信它存在;但就是沒(méi)找到直接證據(jù)。所以,美國(guó)人花了大把的銀子上馬LIGO項(xiàng)目,就是為了找到引力波存在的確切證據(jù)。


科學(xué)畢竟是講究實(shí)證的。想當(dāng)年,楊振寧和李政道發(fā)現(xiàn)了弱作用中宇稱不守恒,立即震驚科學(xué)界??墒?,讓他們名揚(yáng)四海的最大助力是吳健雄的試驗(yàn),這才證明了他們是對(duì)的。


更早的愛(ài)因斯坦也是一樣。他的狹義相對(duì)論提出后,曾經(jīng)也被認(rèn)為是科學(xué)怪譚。虧得天文學(xué)家愛(ài)丁頓遠(yuǎn)征非洲觀察日食,這才讓相對(duì)論得到科學(xué)界的廣泛認(rèn)可。


總之一句話:無(wú)證據(jù),不科學(xué)。這和“捉賊拿贓”的道理是一樣的。引力波就面臨這樣的困境:捉了賊,沒(méi)拿到贓。


為什么引力波那么難找,因?yàn)樗×?。用大海撈針都不足以形容這個(gè)科學(xué)工程的難度。在相關(guān)報(bào)道中,有媒體用“愛(ài)因斯坦都不敢想象”這樣的標(biāo)題。是的,愛(ài)因斯坦那會(huì)還沒(méi)預(yù)料到激光技術(shù)會(huì)發(fā)展成現(xiàn)在這樣。而這次“捉賊拿臟”靠的就是激光技術(shù)。


3個(gè)太陽(yáng)的贓物


過(guò)去幾年,曾有報(bào)道說(shuō)某實(shí)驗(yàn)室找到了引力波存在的證據(jù),但后來(lái)都被證實(shí)為烏龍事件。


這次,科學(xué)家們成功了。美國(guó)科學(xué)界的“警察”們說(shuō),我們拿到引力波的“贓物”了。說(shuō)是贓物,其實(shí)非常貼切。贓物,不就是丟了的東西么。這次測(cè)到的,正是丟失的質(zhì)量,而且是很大的質(zhì)量,足有3個(gè)太陽(yáng)那么大。


情況是這樣的,有兩個(gè)巨大的天體,天文學(xué)家一般稱之為黑洞;其中一個(gè)的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的29倍,另一個(gè)質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的36倍,它倆轉(zhuǎn)著轉(zhuǎn)著就轉(zhuǎn)成一個(gè)大黑洞,合并成一個(gè)62倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。用小學(xué)數(shù)學(xué)加減法就可以知道,這倆星體“結(jié)合”前后損失了3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。


那么消失的這3個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量去了哪里呢?愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程告訴人們,這些質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量了!而且這些能量被引力波釋放到宇宙當(dāng)中了。


黑洞之所以被稱為黑洞,就是因?yàn)楹诙匆μ螅灾劣诠饩€都跑不出來(lái),所以看上去是黑的。但即便如此,引力波仍然能從黑洞的“魔掌”中跑出來(lái),上演宇宙中的“肖申克救贖”。


這些引力波帶著能量經(jīng)過(guò)14億年的傳播,終于傳到了地球,盡管能量已經(jīng)非常微弱,但還是被LIGO項(xiàng)目的超強(qiáng)激光設(shè)備捕獲了!盡管得到的信號(hào)也非常微弱,但這就是引力波存在的證據(jù)。這次的實(shí)驗(yàn)器材,大大提高了激光設(shè)備的功率,才獲得成功??梢?jiàn),要做大事業(yè),還是得要大能量。這也應(yīng)了一句成語(yǔ)“工欲善其事,必先利其器”。


引力波在物理江湖中成名已久,但直到今天才顯真容,也是百聞不如一見(jiàn)。從理論預(yù)言到實(shí)證存在,那感覺(jué)就好像是抓住了開(kāi)膛手杰克,一下子了結(jié)了一樁百年懸案。順便說(shuō)一句,康薇爾的《開(kāi)膛手杰克結(jié)案報(bào)告》寫(xiě)得很有說(shuō)服力。


其實(shí),在美國(guó)科學(xué)界正式證實(shí)這項(xiàng)研究成果之前,科技界消息人士早已“謠言滿天飛”。實(shí)驗(yàn)早就在去年9月就得到數(shù)據(jù)了,但一直不敢確認(rèn)。成果確認(rèn)經(jīng)過(guò)層層審核,也需要很多時(shí)間,最終得到承認(rèn)。


最后說(shuō)兩句,其一,如果引力波真的存在,這次找到的引力波信號(hào)應(yīng)該不會(huì)是唯一,以后還會(huì)探測(cè)到更多的引力波信號(hào)。其二,既然引力波存在的證據(jù)找到了,下一個(gè)是不是該輪到傳說(shuō)中的“上帝粒子”了?上帝粒子是什么鬼東西,有興趣的請(qǐng)自己搜吧。


作者:杜篆之,編劇。

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