引力波

 

浩瀚的宇宙孕育着无尽的奇迹!在过去的一个世纪中,借助于地面及空间天文望远镜,科学家发现了可探测的宇宙深处最遥远的光,从中我们得知宇宙中正在发生的各种神奇现象,比如:星系的合并,恒星的诞生和消亡。然而,我们对宇宙的认知都是基于对‘光芒’的传统探测,仅限于对那些放光星体的观测,可是宇宙中远远不止这些,更神秘的是黑洞这类不可见的物体。对于这些‘不可见’的天体,我们需要一个不同于光波的新‘窗口’,引力波正是这样一个‘窗口’。跟据爱因斯坦的广义相对论,引力波不仅可以让我们观测到宇宙中诸如黑洞这种神奇的物体,更能让我们直接探究时空的真谛。为了更好地了解爱因斯坦的时空观,我们可以用下面这样一个图像来帮助理解:

重力可以看作是时空的扭曲

重力可以看作是时空的扭曲。

把时空想像成一张很大的橡皮膜,星体在时空中就好比把重物放在这样一个膜上,原来平直的橡皮膜在重物的作用下弯曲了,此时,如果重物的周围有其它运动的物体,物体会感受到这种弯曲并改变它们原来的运动,而朝着重物做加速运动。我们感受到的重力正是地球把我们周围时空弯曲的结果!

如果两个黑洞靠的很近的话,它们便会螺旋式地环绕对方运动,最后剧烈的碰撞再合并。这种剧烈运动扰动了周围的时空,从而产生了引力波。和我们熟知的光波类似,引力波也以光速传播,它把黑洞对时空扰动的信息传到宇宙的其他角落,通过探测它,我们就能揭示黑洞的本质。

那么我们怎样探测引力波呢?引力波究竟对我们周围的物体有些什么作用呢?最简单的概括就是,引力波对其穿过的物体有‘拉伸’和‘挤压’的效果,或者说,引力波改变物体之间的相对位置。我们正是通过引力波对干涉仪中镜子之间位置的改变来探测它的。

引力波对苹果的拉伸和挤压
引力波对苹果的拉伸和挤压。图片来源:Paul Fulda.

目前,最有希望被探测到的引力波信号来自于黑洞的碰撞。但是即使是最强的信号,当传到地球时已经变得很弱,对地球上物体的拉伸和挤压作用也是十分微小的。比如一个长一米的直尺,典型的引力波强度只改变大概10-22m ( 0.0000000000000000000001 m)。因此,我们需要十分灵敏的设备来探测这个微小改变量。