讓物理學界沸騰的引力波

作者:霍光

2016年2月12日，全世界的物理學界都沸騰了——百年前已經被預言的引力波，終於被探測到了！
作為普通大眾，我們在被各種社交媒體刷屏的「引力波」洗腦的同時，卻很少有人知道：引力波到底是什麼？為什麼探測到它需要百年的努力？它又能給世界帶來什麼？
宇宙大蹦床
很多人聽說過愛因斯坦的廣義相對論，但並不知道它講了什麼。事實上，廣義相對論的很多推論是人們憑直覺無法理解的。比如這一項——引力的定義。
在廣義相對論中，引力被解釋為時空的彎曲。
「時空彎曲是什麼？」相信大多數人聽說之後都是這個反應。它的意思是，我們平時感知的空間貌似是平直的，但真實的情況中，卻是像在哈哈鏡里一樣，是彎曲的。這種彎曲是物質造成的，質量越大，造成的彎曲就越大。
我們可以把宇宙想象成一個蹦床，如果沒有任何干擾，它是平坦的。但當有質量的物體出現時，比如一個雞蛋、來遊樂場的小孩子，或者是地球這樣的龐然大物，它就會變得彎曲。
這種彎曲，對於生活在蹦床上的微小生物——人類來說，一是由於我們跟著蹦床一起彎曲了，二是由於這種彎曲太微小，我們完全感覺不到。
但如果這個大質量物體發生變化——雞蛋被吃了、小孩子蹦走了，或者地球爆炸了——蹦床就會開始震動，這種震動就是引力波。當然，跟著一起震動的我們感覺不到它在震動。
用圓規丈量宇宙
對於不喜歡睡眠被地震打擾的人來說，感受不到宇宙的震動是多麼幸福的一件事。
但物理學家可不這麼想，他們急需感覺到震動，來證明自己確實了解宇宙。他們還希望通過對震動的研究，將宇宙了解得更透徹。於是，他們發明了世界上最大和最貴的——圓規，或許很像，但他們把它叫作邁克爾遜干涉儀，或是LIGO。
在大年初五帶來引力波消息的LIGO並不像財神，相反，這個美國國家科學基金會（NSF）資助的項目前前後後已經花去了數十億美元。
LIGO的原理是什麼？假設我們有兩個短跑運動員，他們在任何情況下跑步速度都一樣，那麼，如果跑道因為引力波擾動，長度發生了變化——就像蹦床表面會因受力，在一個方向上拉伸一樣，他們從LIGO的兩條腿上跑回來的時間就會產生些微的差異。由此，我們就知道，時空確實在震動。
然而，這並不是那麼簡單的。
第一，震動太小了，也許4000米只會發生0.000000000000000001米（數了一下，小數點后應該有17個0）的變化。雖然圓規腿已經很長了，這也只是勉強能讓我們感覺到兩側「運動員」，也就是激光返回速度的差異。
第二，我們不能讓諸如跺腳、打噴嚏或是地震之類的干擾影響我們的觀測，所以要用各種設備讓兩條腿保持穩定。同時，我們還要在很遠的地方再建一個探測器，如果兩個都震了，我們就知道這不是科研人員在絕望的情況下掀桌子引起的。
物理學家在地球上建了一大堆探測器，這次探測成功的LIGO在美洲東西海岸各有一個探測基地。
1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，開始聯合建設「激光干涉引力波天文台」（LIGO）。不過，LIGO建成后一開始並沒有什麼作為，經過數次耗資不菲的改造，LIGO總算帶來了好消息。