激光觸摸“時(shí)空的漣漪” 推開(kāi)另一引力波世界大門(mén)

　　今天，各大版面被“引力波”刷新，目光所及之處都是“引力波發(fā)現(xiàn)”相關(guān)消息。原來(lái)該事件源于美國(guó)和歐洲多個(gè)科學(xué)機(jī)構(gòu)宣布16日發(fā)布“此前從未觀測(cè)到的”引力波新發(fā)現(xiàn)。據(jù)消息稱(chēng)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)發(fā)布新聞公報(bào)表示，于北京時(shí)間16日22時(shí)舉行新聞發(fā)布會(huì)，會(huì)議介紹美國(guó)“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO)和歐洲“處女座”(Virgo)引力波探測(cè)器及其全球合作伙伴的新發(fā)現(xiàn)。

　　什么是引力波?

　　人類(lèi)第一次觸及到引力波的時(shí)候是愛(ài)因斯坦相對(duì)論。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論提出之后，這個(gè)描述“時(shí)空和物質(zhì)”理論在很多地方受到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。人們?cè)诖_鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)下，一次又一次的被這個(gè)偉大理論的深刻與正確而震驚。然而作為廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言——引力波，卻遲遲沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。為了探測(cè)到這個(gè)引力波，幾代科學(xué)家們做出了很多嘗試和努力。那么究竟什么是引力波呢?

　　有人形容引力波是“時(shí)空的漣漪”，并且認(rèn)為黑洞是質(zhì)量很大很大的天體。由于質(zhì)量很大很大，根據(jù)“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲”，周?chē)臅r(shí)空會(huì)一定彎曲得很厲害是。時(shí)空不彎曲的時(shí)候就像一汪平靜的湖水，你在上面輕輕放上一個(gè)皮球，皮球下面的水面是一個(gè)弧形的吧，這就和黑洞存在、附近時(shí)空彎曲一個(gè)道理。光有一個(gè)皮球停在水面上，水面還是很平靜。但是如果有兩個(gè)皮球像圖中兩個(gè)黑洞那樣彼此環(huán)繞運(yùn)動(dòng)著，那就不得了啊，水平會(huì)泛起陣陣漣漪。所以，如果水面是時(shí)空的話，那水波就是引力波。引力波不能理解成引力的波，引力波的本質(zhì)相當(dāng)于時(shí)空的漣漪，是時(shí)空的波動(dòng)。

　　引力波探測(cè)

　　根據(jù)理論知識(shí)，自從138億年前，一團(tuán)體積有限密度溫度極高的“東西”爆炸形成宇宙，爆炸至今不斷擴(kuò)散，原始引力波來(lái)源于那場(chǎng)爆炸。隨著體積擴(kuò)散溫度降低，出現(xiàn)了光。后期宇宙中任何物體只要運(yùn)動(dòng)，都會(huì)輻射引力波，包括任何物體，比如星體運(yùn)動(dòng)、宏觀物質(zhì)、圍觀物質(zhì)，“動(dòng)”就會(huì)輻射引力波。也是作為愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的重要引言，引力波存在于理論之中，一直被人們認(rèn)為真真切切的存在，然而就是無(wú)法證明，無(wú)法使引力波“現(xiàn)出原形”。人們一直致力于尋找引力波，引力波探測(cè)成為世界性大項(xiàng)目，集合和人類(lèi)在物理、工程、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)方面最先進(jìn)的理論、技術(shù)、和智慧。有人比喻引力波的探測(cè)難度說(shuō)，如果想看到引力波，相當(dāng)于在1公里的長(zhǎng)度上找到那小于原子核半徑一萬(wàn)倍的空間變化。

　　引力波探測(cè)其中一個(gè)方法利用激光干涉儀的基本思想。假設(shè)有四個(gè)測(cè)試質(zhì)量被懸掛在天花板上，一束單色、頻率穩(wěn)定的激光從激光器發(fā)出，在分光鏡上被分為強(qiáng)度相等的兩束，一束經(jīng)分光鏡反射進(jìn)入干涉儀的Y臂，另一束透過(guò)分光鏡進(jìn)入與其垂直的另一X臂。第一次不加入引力波，在經(jīng)歷了相同的時(shí)間之后，兩束光返回，并在分光鏡上重新相遇，產(chǎn)生干涉。此次通過(guò)調(diào)整X、Y臂的長(zhǎng)度，控制兩束光是相消的，此時(shí)光電二極管上沒(méi)有光信號(hào)。第二次試驗(yàn)加入引力波后，引力波從垂直于天花板的方向進(jìn)入，會(huì)對(duì)兩臂中的一臂拉長(zhǎng)，另一臂壓縮短，從而兩束光的光程差發(fā)生了變化，原先相干相消的條件被破壞，有一定數(shù)量的光線會(huì)進(jìn)入探測(cè)器，得到引力波信號(hào)。激光干涉儀對(duì)于共振棒的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)：首先，激光干涉儀可以探測(cè)一定范圍的頻率的引力波信號(hào)一般是20Hz-3000Hz;其次，激光干涉儀的臂長(zhǎng)可以做的很長(zhǎng)，比如地面引力波干涉儀的臂長(zhǎng)一般在千米量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)共振棒的宏觀米量級(jí)長(zhǎng)度，如此將使引力波通過(guò)光探測(cè)器顯現(xiàn)出來(lái)。

　　引力波探測(cè)意義

　　引力波的探測(cè)歷經(jīng)上百年之久，那么耗費(fèi)了巨大的人力物力財(cái)力，探測(cè)引力波究竟有什么意義呢?

　　其實(shí)，一方面引力波作為愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的引言，驗(yàn)證了引力波存在性就是對(duì)愛(ài)因斯坦相對(duì)論認(rèn)可的實(shí)際事實(shí)作出了實(shí)驗(yàn)性的驗(yàn)證。另一方面站在時(shí)空維度的角度理解。目前普遍認(rèn)為三維空間，其實(shí)不然，空間應(yīng)該有四維，三維位置空間+一維時(shí)空空間。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，時(shí)間也是形容物質(zhì)的一個(gè)重要坐標(biāo)。比如，通常我們形容一個(gè)東西的位置一般有三個(gè)具體元素，坐標(biāo)軸中的X軸、Y軸和Z軸。這是在短暫的時(shí)間內(nèi)，形容的東西可以通過(guò)這三個(gè)具體元素找到，然而如果這三個(gè)空間元素坐標(biāo)沒(méi)有變化，經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間，東西發(fā)生了霉變或者壞了形貌發(fā)生了變化，此時(shí)如果沒(méi)有時(shí)間的坐標(biāo)，只是簡(jiǎn)單的通過(guò)三維空間坐標(biāo)就將難以描述這個(gè)東西。所以，在三維空間基礎(chǔ)上，引力波的成功探測(cè)將會(huì)為我們打開(kāi)一扇通往時(shí)空新的大門(mén)。