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情人节撞上引力波|微思客

*本文为微思客特约作者文章,如需转载,请联系微思客团队。

编者按

任何有质量的物体都会有引力,那么情人们之间的引力波是不是更特殊一些呢。答案要超脱人们的日常经验,特别是谈情说爱者的经验。引力波并不认得你和你的情人,它只决定于你的质量。质量能让空间弯曲,爱也能让时空弯曲,但后者只是一个比喻。而前者则是物理。这篇文章用人话告诉你,引力波是怎么回事儿。只要是开心的节日都是值得庆祝的,有情人的开心,没有情人也在被爱,大家情人节快乐!

当情人节装上引力波

杜篆之

早在引力波被实验证实之前,就已经是各种科幻作品里的重要角色。

好莱坞大片《星际穿越》里,马修·麦康纳虽然被禁闭在黑洞时空里,仍然可以利用引力波给女儿发暗号。中国当前最红的科幻小说《三体》里,引力波成了宇宙黑暗森林里灯塔般的强力信号。

你和宇宙的起源

今年北京时间大年初四的晚上,引力波走出了科学和科幻的城池,成了全世界的谈资。不知道引力波,你都不好意思出门。

社会大众的物理知识水平,想要搞清楚引力波是什么,不是一件容易的事。好在人类有类比的认知能力,用一些容易理解的东西做药引子,多少能消化一些貌似高深的科学道理。

那我们就从宇宙起源说起。“我从哪里来?”是每个人都能明白的话题。这个问题一路问到底,就成了“宇宙从哪里来?”

当代物理学对此有一个被公认的理论,那就是大爆炸理论。这个理论认为,宇宙起源于一个奇点。奇点是个不容易理解的概念,可以简单理解为一个点,一个非常非常小,小到没有体积的点,从这个点开始,发生了一次剧烈的爆炸,这次爆炸延续了大约150亿年,形成了现在的宇宙。

要我说,这个宇宙诞生的理论毫无美感和人性可言。即便从想象力的角度来看,它和上帝创世、女娲造人等理论没法比。宇宙大爆炸是一个冷冰冰的、机械的、枯燥无味的理论。然而,各种科学观察和科学试验都表明,到目前为止,这个理论非常完美地解释了宇宙的起源。

可以这么说,宇宙的诞生就是无中生有。宇宙就是这么任性,这么不讲理。作为人类,你跟谁讲理去?

按照常人对“爆炸”这个词的感觉,爆炸是一种毁灭;然而,对于宇宙来说,爆炸却是一种新生。在爆炸中诞生的宇宙,诞生了各种夜空中看起来美轮美奂的星系,诞生了各种亮度不等的恒星,诞生了形态各异的行星,最后诞生了蓝色的地球,诞生了智慧的人类。

为什么大爆炸没有让宇宙灰飞烟灭?因为有引力!

作为救世主的引力

引力的发现是人类的创举。这要感谢天才的牛顿。根据传说,也许还要感谢苹果。自从牛顿提出万有引力之后,宛如井底之蛙的人类,居然能够通过计算洞悉未知天体的存在和轨道。这才是现代科学的真正起源。从此,星星不再是神灵的居所,也不是按照超自然意志运动的金色小钉子,它们不过是按照牛顿定律运动的一团物质。

正是因为有引力的存在,宇宙大爆炸之后诞生的物质才能够就近组团,形成星系。否则的话,整个宇宙就是一团粉尘,或者一团气体。用城里人能听懂的话说就是:若非引力,宇宙就全是雾霾。

所以说,引力才是救世主。正是引力的存在,才把宇宙从雾霾的灰暗图景中拯救出来。那么,引力波又是什么东西?

在牛顿的物理世界里,是没有引力波的。物体之间的引力可以瞬间跨越全宇宙。任何一个人,他的引力对全宇宙瞬间生效。在地球人看来,这完全符合他的生活经验。

突破生活经验需要超强的智慧。所谓天才就是这样的人。所以,爱因斯坦被称为天才。爱老爷子以相对论闻名世界。普罗大众也许并不知道,相对论其实有两个:一个狭义相对论,一个广义相对论。这是完全不同的两个理论。

狭义相对论最重要的是,提出了光速不变原理。这不是本文讲的重点,所以略去。广义相对论探讨的主要就是引力问题。

爱因斯坦的天才就在于洞察到引力的秘密。他说,引力的传播也是需要时间的,而且引力传播速度是光速。

这再一次证明了,时间是世界上最宝贵的东西。就连引力这个救世主都需要它。写到这里,不由得想到了一句著名的解说词,“留给中国队的时间不多了”。

既然任何一个物体都会产生引力,而引力又会以光速传播;那么只要这个物体动起来,引力的传播就会变化,变化的引力传播呈现出波动的特性,这就是引力波。(引力波还牵扯时空弯曲的概念,在此略去。)

换句话说,你的身体产生的那一点微弱的引力,需要150亿年才能传遍全宇宙。这是不是让你觉得人类很渺小?别悲观,即便伟大如太阳,它也需要这么多时间。

证据、证据,还是证据

科学研究有时候就是个黑箱游戏。你知道箱子里有东西,但你就是打不开箱子,不知道里面具体是什么玩意。引力波就是装在宇宙黑箱里的这么个东西。也可以说它像穿上隐身衣的哈利波特,或者带上魔戒的佛罗多。尽管你可能知道它在那里,但你就是看不见。

人的天性就是对不能直接看见的东西有怀疑。比如说品德、理想之类,引力波也在其列。

自从爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在之后,当今全世界的物理学家都相信它存在;但就是没找到直接证据。所以,美国人花了大把的银子上马LIGO项目,就是为了找到引力波存在的确切证据。

科学毕竟是讲究实证的。想当年,杨振宁和李政道发现了弱作用中宇称不守恒,立即震惊科学界。可是,让他们名扬四海的最大助力是吴健雄的试验,这才证明了他们是对的。

更早的爱因斯坦也是一样。他的狭义相对论提出后,曾经也被认为是科学怪谭。亏得天文学家爱丁顿远征非洲观察日食,这才让相对论得到科学界的广泛认可。

总之一句话:无证据,不科学。这和“捉贼拿赃”的道理是一样的。引力波就面临这样的困境:捉了贼,没拿到赃。

为什么引力波那么难找,因为它太小了。用大海捞针都不足以形容这个科学工程的难度。在相关报道中,有媒体用“爱因斯坦都不敢想象”这样的标题。是的,爱因斯坦那会还没预料到激光技术会发展成现在这样。而这次“捉贼拿脏”靠的就是激光技术。

3个太阳的赃物

过去几年,曾有报道说某实验室找到了引力波存在的证据,但后来都被证实为乌龙事件。

这次,科学家们成功了。美国科学界的“警察”们说,我们拿到引力波的“赃物”了。说是赃物,其实非常贴切。赃物,不就是丢了的东西么。这次测到的,正是丢失的质量,而且是很大的质量,足有3个太阳那么大。

情况是这样的,有两个巨大的天体,天文学家一般称之为黑洞;其中一个的质量是太阳质量的29倍,另一个质量是太阳质量的36倍,它俩转着转着就转成一个大黑洞,合并成一个62倍太阳质量的黑洞。用小学数学加减法就可以知道,这俩星体“结合”前后损失了3个太阳质量。

那么消失的这3个太阳的质量去了哪里呢?爱因斯坦的质能方程告诉人们,这些质量转化成能量了!而且这些能量被引力波释放到宇宙当中了。

黑洞之所以被称为黑洞,就是因为黑洞引力太大,以至于光线都跑不出来,所以看上去是黑的。但即便如此,引力波仍然能从黑洞的“魔掌”中跑出来,上演宇宙中的“肖申克救赎”。

这些引力波带着能量经过14亿年的传播,终于传到了地球,尽管能量已经非常微弱,但还是被LIGO项目的超强激光设备捕获了!尽管得到的信号也非常微弱,但这就是引力波存在的证据。这次的实验器材,大大提高了激光设备的功率,才获得成功。可见,要做大事业,还是得要大能量。这也应了一句成语“工欲善其事,必先利其器”。

引力波在物理江湖中成名已久,但直到今天才显真容,也是百闻不如一见。从理论预言到实证存在,那感觉就好像是抓住了开膛手杰克,一下子了结了一桩百年悬案。顺便说一句,康薇尔的《开膛手杰克结案报告》写得很有说服力。

其实,在美国科学界正式证实这项研究成果之前,科技界消息人士早已“谣言满天飞”。实验早就在去年9月就得到数据了,但一直不敢确认。成果确认经过层层审核,也需要很多时间,最终得到承认。

最后说两句,其一,如果引力波真的存在,这次找到的引力波信号应该不会是唯一,以后还会探测到更多的引力波信号。其二,既然引力波存在的证据找到了,下一个是不是该轮到传说中的“上帝粒子”了?上帝粒子是什么鬼东西,有兴趣的请自己搜吧。

作者:杜篆之,编剧。
编辑:马由游,微思客编辑。
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