漫画 | 来自宇宙大蹦床里的“波浪”

　　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。

　　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。

　　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。

　　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！

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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：

　　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：

　　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。

　　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！

　　这次的引力波正是黑洞碰撞前的一刹那发出来的。

　　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）和基普·S·索恩（Kip S. Thorne），获得了

2017 年诺贝尔物理学奖

　　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！

　　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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