嘗一口來自宇宙深處的「引力波」 趴在天文世界的窗口與科學家們共同歡呼
我們看到的從很遠星系來的光是在幾百萬年之前發出的，在我們看到的最遠的物體的情況下，光是在80億年前發出的。這樣當我們看宇宙時，我們是在看它的過去。
——霍金《時間簡史》
2017年10月15日
各天文大V在微博上引起了一段不小的騷動
稱有重大的天文發現將公布
一時間猜疑四起，人心惶惶，暗流涌動...
火星撞地球？世界末日？外星人入侵？
隨即全球各大天文台和研究中心聯合發布
人類首次發現雙中子星併合引力波
這是足以讓全世界天文研究者為之落淚的探索…
誒誒，稍等，大家別散啊，
緊系著人類未來的，不只是霍金預言的「世界末日」
還有愛因斯坦的百年預言「時空扭曲」
讓全世界舉杯慶祝的重大天文發現，難道你沒有一絲的好奇？
來，用一種最形象和趣味的打開方式來叩叩天文世界的大門
愛因斯坦為何是人類之光
是因為他遠遠地站在了人們遙不可及的前方
拉動著整個人類大軍的行軍方向
他的主要成就中最為著名的就是提出了相對論
這也使他的光子假設等其他貢獻不太被學界外的人們所熟知
令人振奮和欽佩的是
愛因斯坦的預言假說
讓全世界的科學精英都深陷其中，且不斷被證實
不論是「如果蜜蜂從世界上消失了，人類也將僅僅剩下4年的光陰」的預言
還是時空扭曲的假說
都具有極強的科學性：
在人類所利用的1330種作物中，有1000多種需要蜜蜂授粉
而世界各地蜂群的數量急劇減少
十年間我國的蜜蜂數量減少了快10%；
隨著引力波被探測到
也逐漸證實了相對論假說，證明了時空的彎曲
了解了這些
當你再次正視他曾預言的「2060人類從地球消失」
還會有完全置身事外的感覺嗎？
只能由衷感嘆
人類的覺醒遠遠趕不上環境被吞噬的速度啊...
今日的主人公是引力波
那麼引力波是什麼
又為何會有時空彎曲？
看過《星際穿越》的朋友可能會有更大的疑問
（ps.《星際穿越》的導演與天體物理學家基普·S·索恩關於電影設計的情節進行了多次面對面詳細的探究，參考了基普·S·索恩黑洞理論並進行了合理演化，一些解說視頻有詳細的介紹，通過解讀會讓你對這部電影有更深刻的認識。）
關於引力波，首先要從廣義相對論說起
宇宙是四維的----三維的空間加上一維的時間
狹義相對論在平直的四維時空中適用（慣性系）
但彎曲的時空就無法解釋了
我們知道，在突然剎車時身體前傾是由於慣性
所謂受到了慣性力
然而慣性力不是一種力
在局部慣性系中，比如你乘著飛船向上起飛了
身體受到了兩個向下的力
一個是萬有引力，一個是慣性力
那到底哪個是萬有引力哪個是慣性力呢
嗯，這是個問題
於是愛因斯坦說
在局部慣性系中萬有引力與慣性力等效
萬有引力也不是一種力
接著，他用廣義相對論告訴我們
引力場，是源於時空的彎曲
同時他還預言了引力波的存在
所有有質量的物體的運動都會產生引力波
科學界將引力波文藝地表述為時空的漣漪
通常這樣想像
把空間比作一個湖面
有質量的物體如果在湖中運動
就會漣漪泛開
一層一層，傳遞出來
這就是引力波
時空就這樣發生了彎曲
而引力波是以光速傳播的
並且普通物體質量小、運動微弱
因此產生的引力波無法探測
科學家首次探測到引力波
是由兩個黑洞的合併產生
每個黑洞的質量是幾十個太陽的質量
如此強大的引力波
經過了十幾億年抵達地球才被探測到
難以置信的數字吧
然而！
你滑動手機屏幕的手指
其實也正在釋放著引力波…
忽近忽遠，若即若離
神聖又觸手可及…
奇妙的宇宙…
引力波！請你停止釋放魅力！
大學期間老師曾在課堂描述過引力波探測器的探測原理
我這樣一個課堂容易靈魂出竅的人居然感到饒有趣味
嘗試著不列公式地來簡單回想：
引力波探測器不是一個簡單的儀器
它包含的是一個巨大的建築
以著名的LIGO為例
整個建築呈現出兩根垂直等長的手臂
稱之為干涉臂
探測原理即應用激光干涉儀打出的光束
來測量兩條相互垂直的干涉臂的長度差變化
長度差？不是等長的手臂嗎？
我們上文說到
時空彎曲泛開來引力波
可以這樣想像：
激光在遙遠太空產生的引力波到來時
它的傳播軌跡不再是走直線了
這樣一來
它走過同樣行程所用的時間是不是就變長了呢
所以測出的兩條垂直的干涉臂就不一樣長
而這個時間的變化就是一個非常重要的值了
***********
（一系列公式已被和諧...）
近四年科學家才確認探測到了引力波
這其中的艱辛和投入難以言喻
一方面是儀器的精確度需要不斷升級
另一方面是要克服周圍的噪音
去感受那空間中極其微小的變化
引力波引起的空間變化有多微小？
我之前在一篇研究引力波的華人科學家的文章中
看到他給出了一個結論：
「引力波的強度的影響，
相當於1公里的長度上有了1e-19米的變化」
這個數量級有多令人震驚
比氫原子核的半徑還要小一萬倍！
而引力波探測工作
每精確一個數量級都需要龐大的研究工作和資金投入
除此之外
還需要減小「量子雜訊」、「牛頓雜訊」的干擾
像美國LIGO的探測工作
是多台引力波望遠鏡同時運行來更精確地定位
還有一些探測器是「掘地三尺」而建成
日本的引力波探測器KAGRA就深入了地下200米
用最接地氣的方式來形容引力波探測器的珍貴：
美國LIGO在上個世紀90年代開始建設時便投入了3.65億美元
而該探測器還在不斷的優化之中
2017年10月引起全球轟動的引力波，
由兩個質量分別為1.15和1.6個太陽質量的雙中子星併合所產生
距離我們1.3億光年
關於中子星，對人類來說現在還是一個謎團
它是恆星演化到末期
經由重力崩潰發生超新星爆炸之後形成的
質量還不足以形成黑洞
其中因為旋轉而能發出周期性電波的
就是常說的脈衝星
藉助它可以幫助研究引力波、星際介質、銀河系磁場等等
位於我國貴州特有名的「天眼」射電望遠鏡目前主要探測的就是脈衝星
因為中子星密度極大
因此出現了「如果我吃一口中子星會怎麼樣」的科學問答
Too young too simple…
每立方厘米的中子星質量為一億噸之巨！
還吃不？？來一口？？
當然啦，充滿想像是值得鼓勵的
現已發現的最大的中子星質量
比最小的黑洞質量還要小得多
所以其產生的引力波強度也小得多
但，這一次中子星合併產生的引力波
終究被激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）捕捉到了
這種幸福感恐怕只有天文學家們才能深刻體會
我國的引力波研究也走在世界的前端
中山大學發起的「天琴」空間引力波探測計劃
在2015年7月已經啟動，總投資150億元
計劃將用15年—20年的時間發射衛星上天
而衛星之間以激光精確測量由引力波造成的距離變化
現引力波研究所需的地面基礎設施
正在緊鑼密鼓的建設當中...
關鍵人物羅俊院士和他的團隊
正在華中科技大學的喻家山底下的防空洞里研發引力波探測裝置...
「天琴計劃」探測的低頻段的連續型引力波
可以持續驗證
這將會是又一大飛躍
（此段詳情請參考百科…）
空間不是不變的
時間不是滴答均勻向前走的
廣義相對論打開了我們認識世界的另一扇大門
對引力波的探測也使得我們打開眼界
更真實地探索整個宇宙的奧秘
天文世界充滿著吸引力
你是否已經難以自拔？
在沒有公式的如此通俗的描述之中
你竟然不可思議地讀到了這裡！
But----
我猜正在頭腦風暴努力消化的你
還是感覺碰到了想像力的天花板
當然是非常正常的了
我們的思維體系和世界觀
已經和「牛頓定律」融合在了一起
而它也能解釋絕大部分我們生活的這個世界的規律
然而人類為了未來能在宇宙中生存下來
必須努力看清宇宙的全貌
科學家們正走在前端
尋找著人類的出路
現在我們所有人
在宇宙的畫像逐漸清晰之前
保護好家園地球
是迫在眉睫的事情
完結。
Ps.愛因斯坦先生的相片自然是必不可少的----
（由於想要儘可能趣味通俗地描述，涉及的知識中專業性不夠強的地方，歡迎各位讀者指正。）
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