激光觸摸“時空的漣漪” 推開另一引力波世界大門

　　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”相關消息。原來該事件源于美國和歐洲多個科學機構宣布16日發(fā)布“此前從未觀測到的”引力波新發(fā)現。據消息稱，美國國家科學基金會發(fā)布新聞公報表示，于北京時間16日22時舉行新聞發(fā)布會，會議介紹美國“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)和歐洲“處女座”(Virgo)引力波探測器及其全球合作伙伴的新發(fā)現。

　　什么是引力波?

　　人類第一次觸及到引力波的時候是愛因斯坦相對論。愛因斯坦的廣義相對論提出之后，這個描述“時空和物質”理論在很多地方受到實驗檢驗。人們在確鑿的實驗證據下，一次又一次的被這個偉大理論的深刻與正確而震驚。然而作為廣義相對論的一個重要預言——引力波，卻遲遲沒有發(fā)現。為了探測到這個引力波，幾代科學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“時空的漣漪”，并且認為黑洞是質量很大很大的天體。由于質量很大很大，根據“物質告訴時空如何彎曲”，周圍的時空會一定彎曲得很厲害是。時空不彎曲的時候就像一汪平靜的湖水，你在上面輕輕放上一個皮球，皮球下面的水面是一個弧形的吧，這就和黑洞存在、附近時空彎曲一個道理。光有一個皮球停在水面上，水面還是很平靜。但是如果有兩個皮球像圖中兩個黑洞那樣彼此環(huán)繞運動著，那就不得了啊，水平會泛起陣陣漣漪。所以，如果水面是時空的話，那水波就是引力波。引力波不能理解成引力的波，引力波的本質相當于時空的漣漪，是時空的波動。

　　引力波探測

　　根據理論知識，自從138億年前，一團體積有限密度溫度極高的“東西”爆炸形成宇宙，爆炸至今不斷擴散，原始引力波來源于那場爆炸。隨著體積擴散溫度降低，出現了光。后期宇宙中任何物體只要運動，都會輻射引力波，包括任何物體，比如星體運動、宏觀物質、圍觀物質，“動”就會輻射引力波。也是作為愛因斯坦廣義相對論的重要引言，引力波存在于理論之中，一直被人們認為真真切切的存在，然而就是無法證明，無法使引力波“現出原形”。人們一直致力于尋找引力波，引力波探測成為世界性大項目，集合和人類在物理、工程、數學、計算機方面最先進的理論、技術、和智慧。有人比喻引力波的探測難度說，如果想看到引力波，相當于在1公里的長度上找到那小于原子核半徑一萬倍的空間變化。

　　引力波探測其中一個方法利用激光干涉儀的基本思想。假設有四個測試質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度相等的兩束，一束經分光鏡反射進入干涉儀的Y臂，另一束透過分光鏡進入與其垂直的另一X臂。第一次不加入引力波，在經歷了相同的時間之后，兩束光返回，并在分光鏡上重新相遇，產生干涉。此次通過調整X、Y臂的長度，控制兩束光是相消的，此時光電二極管上沒有光信號。第二次試驗加入引力波后，引力波從垂直于天花板的方向進入，會對兩臂中的一臂拉長，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，有一定數量的光線會進入探測器，得到引力波信號。激光干涉儀對于共振棒的優(yōu)勢顯而易見：首先，激光干涉儀可以探測一定范圍的頻率的引力波信號一般是20Hz-3000Hz;其次，激光干涉儀的臂長可以做的很長，比如地面引力波干涉儀的臂長一般在千米量級，遠遠超過共振棒的宏觀米量級長度，如此將使引力波通過光探測器顯現出來。

　　引力波探測意義

　　引力波的探測歷經上百年之久，那么耗費了巨大的人力物力財力，探測引力波究竟有什么意義呢?

　　其實，一方面引力波作為愛因斯坦廣義相對論的引言，驗證了引力波存在性就是對愛因斯坦相對論認可的實際事實作出了實驗性的驗證。另一方面站在時空維度的角度理解。目前普遍認為三維空間，其實不然，空間應該有四維，三維位置空間+一維時空空間。簡單來說，時間也是形容物質的一個重要坐標。比如，通常我們形容一個東西的位置一般有三個具體元素，坐標軸中的X軸、Y軸和Z軸。這是在短暫的時間內，形容的東西可以通過這三個具體元素找到，然而如果這三個空間元素坐標沒有變化，經過了一段時間，東西發(fā)生了霉變或者壞了形貌發(fā)生了變化，此時如果沒有時間的坐標，只是簡單的通過三維空間坐標就將難以描述這個東西。所以，在三維空間基礎上，引力波的成功探測將會為我們打開一扇通往時空新的大門。