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在科幻小说《三体》中,为了联系宇宙中可能存在更高级的外星文明,作者设想了一种在宇宙广播信息的好办法。用这种办法发出的广播,能量几乎不会衰减,可以传播到很远很远的地方。这种办法叫作“引力波”。

引力波又是什么东西呢?简单地说,引力波是时间和空间本身掀起的“波浪”。你可以闭上眼睛想象这样的场景:在时间和空间就像一块平静的蹦床,本来完全没有任何波浪。但如果有谁突然使劲蹦一下,蹦床被脚踩到的地方就会剧烈弯曲,然后弯曲的部分又会引发其他没有被脚踩到的地方发生弯曲,并用“波”的形式将弯曲逐渐向四周传播。在爱因斯坦的广义相对论中,时空弯曲形成的波就是引力波。

引力波_01

时间和空间也会像蹦床一样扭曲?这是不可能的吧?就算存在这种扭曲,跟万有引力又有什么关系?别着急,如果这样解释引力波,在三百多年前提出万有引力定律的牛顿,估计会跟你冒出同样的疑问。

引力波_02

牛顿认为,空间是无限大的,时间均匀地流动,时间和空间就像一块由钢铁浇铸的舞台,无法扭曲。世间万物就在这块舞台上相互影响。其中一种影响方式能够让苹果下落,能够让月亮绕着地球转,它就是万有引力。

引力波_03

其实,牛顿提出万有引力时,就已经发现自己的理论存在一个漏洞。在牛顿的理论中,万有引力是瞬时传播的。比方说,如果太阳突然消失,那么太阳作用在八大行星上的万有引力也会在一瞬间全部消失。这就等于说,引力传播的速度是无穷大!

引力波_05

虽然传播速度无穷大听起来很不靠谱,但牛顿本人也承认,他没有办法做出解释,只能把这个问题留给未来的科学家。这个问题一放就放了很多年,直到 1915 年,爱因斯坦提出了广义相对论。

引力波_06

总而言之,爱因斯坦发现,引力的传播速度并不是无穷大,而是等于光速。并且,时间和空间并不是刚性的,而是可以弯曲的。如果时空中存在一个质量不等于零的物体,时空就会像蹦床一样陷下去一个坑,也就是发生弯曲。

引力波_07

为了验证这个发现,爱因斯坦进一步推论说,如果有一束光经过这片弯曲的时空,它们的传播路径也会跟着一起弯曲。表面上看,你可能会以为光的路线发生弯曲是因为受到了万有引力。但爱因斯坦说,万有引力的本质就是弯曲的时空影响了周围的物体

引力波_08

这个大胆的推论到底有没有道理呢?1919 年,科学家在观测日全食时发现,恒星发出的光在经过太阳附近时,真的发生了弯曲。并且,弯曲的程度跟爱因斯坦推断的程度一模一样。于是,科学家不得不相信爱因斯坦的广义相对论是正确的,时空确实会发生弯曲,万有引力确实可以等价于时空弯曲。

引力波_09

既然时空真的可以像蹦床一样弯曲,那么时空应该也可以像蹦床一样,通过波动的形式把弯曲向远处传播。这就是爱因斯坦在提出广义相对论后,预言的 “引力波”。根据他的计算,引力波的传播速度也就是引力本身的传播速度,恰恰等于光速。

引力波产生的时空弯曲,跟引力波的传播方向是垂直的。所以,引力波是一种横波。如果你垂直于引力波的传播轴,用一把刀切开它经过的空间,就会看到这样的景象:

引力波_10

中间两个圆圈代表两个天体在绕着对方转动。根据广义相对论,两个绕着彼此高速公转的大质量天体会向外发出引力波。

如果你想知道引力波是如何沿着传播轴传播的,你会看到这样的景象:

引力波_11

用大白话说,引力波就是把一堆小点点挤扁、拉长、再挤扁、再拉长的波。这些小点点代表的是空间形状,所以说,在引力波经过的地方,空间会跟着引力波一起发生扭曲。如何才能测出空间有没有扭曲呢?

为了探测引力波,美国修建了激光干涉引力波天文台(LIGO)。它由两台大型激光干涉仪组成,这两台仪器相距几千公里,分别射出两组四千米长的激光束。如果一束威力足够大的引力波经过地球,LIGO 的实验臂,就会一会儿变长一会儿变短。虽然变化的幅度特别小,只有质子直径的万分之一,但科学家通过测量激光束的干涉结果,能够发现这样细微的变化。

引力波_12

2015 年,LIGO 首次观测到引力波的存在。这是人类第一次直接探测到引力波。科学家通过测量的引力波发现,在 10 亿光年外,两个质量巨大的黑洞发生了碰撞,合并成了一个更大的黑洞!

引力波_13

这次的引力波正是黑洞碰撞前的一刹那发出来的。

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引力波_14-2

由于发现了引力波,主持这项工作的雷纳·韦斯(Rainer Weiss)巴里·巴里什(Barry C. Barish)基普·S·索恩(Kip S. Thorne),获得了

2017年诺贝尔物理学奖

引力波_15

不过,根据爱因斯坦的广义相对论,除了大型黑洞之外,宇宙中的中子星和中子星的碰撞,中子星和黑洞的碰撞都可以产生引力波。能探测引力波之后,科学家就有办法了解平时很难看到的黑洞和中子星。这就好比科学家凭空多长了一只眼睛,能够发现更多宇宙的奥秘!

引力波_16

文章:松鼠老孙
编辑:红色皇后,Sheldon
脚本:Sheldon
对白、美指:牛猫
绘制:周源

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本文首发于上海科技馆,版权归上海科技馆所有,未经许可不得转载!

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7 Responses to “漫画 | 来自宇宙大蹦床里的“波浪””

  1. 拼音佳佳说道:

    中子星和中子星合并会产生黑洞吗?
    中子星和中子星合并会产生更大的中子星吗?
    白矮星有合并现象吗?白矮星合并会产生中子星吗,现在能观察到吗?

    • jimmyfluore说道:

      中子星和中子星合并会产生一个质量更大,体积更小的中子星。
      如果这个中子星的逃逸速度超过了光速那么就会产生黑洞。

  2. Joe说道:

    我也不知道。?_?

  3. 匿名说道:

    一个用飘柔 一个用定型啫哩水
    多谢干货 又开始细思极恐 一时半会还连不起来

  4. 匿名说道:

    为何不把量子猫加进去? 不是说可以解释万有引力嘛

  5. 匿名说道:

    两个黑洞融合,在崩解过程中,会不会有因为拉伸而使密度达不到黑洞要求的问题?

  6. 匿名说道:

    引力波经过时,LIGO实验臂被拉长了,但是这时它发出的激光也会被拉长吧?

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