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引力波有什麼用,為何花了100年才找到?愛因斯坦沒想到能測出來

什麼是引力波呢?這還要從引力本身說起。

躲避瘟疫的牛頓在鄉下被蘋果砸中之後,便頓悟了“萬有引力”,他告訴人們世間存在着一種特殊的力,那就是引力,且任何兩個有品質的物體之間都具有互相的引力作用。萬有引力讓現代科學撥開了迷霧,很多難題因萬有引力的提出迎刃而解,萬有引力公式即便是應用于當今的航天工程,也足夠精确。但是,當人類使用萬有引力公式來計算水星進動值的時候,誤差卻大得令人難以接受。至此,人們終于明白了萬有引力隻是描述了地球宏觀低速環境下引力的一種特例,并沒有參透引力的本質,而另一個更加偉大的理論将人類對引力的認知提升到了一個新的階層,它就是愛因斯坦的廣義相對論。

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廣義相對論認為引力其實并不是一種力,它是一種幾何效應,是時空彎曲的幾何效應。

簡單來講,整個宇宙就如同一張大網,任何有品質的物體放在這張網上,都會導緻周圍的區域出現彎曲,且品質越大的物體造成的彎曲就越大。比如太陽就是一個品質很大的天體,會導緻周圍的時空出現較大的彎曲,而地球就會因為這種彎曲而圍繞太陽轉圈,這才是引力的本質。這聽起來是不是有些不可思議?畢竟時空看不見又摸不着,對于這種彎曲我們很難産生直覺的印象。但事實是利用相對論公式計算得出的水星進動值幾乎與實際值一模一樣。

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廣義相對論無疑是一個偉大的理論,宇宙膨脹、黑洞和引力波都是基于廣義相對論推導而出的。

在此之前,宇宙紅移、黑洞等都先後得到了證明,這些都成為了相對論正确性的有力支援,但唯有一個東西,人類花費了近百年的時間都未能找到,那就是引力波。引力波為什麼這麼難找?其實愛因斯坦從未想到人類有一天真的能找到引力波。引力是時空的彎曲,而引力波就是時空彎曲所産生的漣漪。形象一點來說吧,天體會導緻宇宙這張時空大網出現彎曲,而天體不是靜止不動的,而是時刻處于運動之中,是以時空的彎曲會跟随天體的運動而發生變化。

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當有多個天體在時空這張大網上運動的時候,時空的彎曲就會像水波一樣向外發散,這就是引力波,引力波的本質實際上是一種物質波。

從1915年愛因斯坦發表相對論開始,人類就踏上了尋找引力波之路,那麼怎麼才能找到引力波呢?引力波的本質是時空彎曲所産生的物質波,是以當引力波經過的時候,就會使空間的長短發生變化,也就會導緻空間内物體的長度發生變化,是以隻需要觀察物體長度的變化就可以得知是否有引力波經過。既然如此簡單,為什麼愛因斯坦曾認為人類永遠無法發現引力波呢?因為引力波所導緻的空間長度變化實在是太小了。

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粗略一點來講,引力波經過的時候,大概會使10萬光年長的物體被壓縮5毫米左右。

這麼小的變化怎麼能測出來?起初人類的确是一籌莫展,直到人類想到了一個跑得很快的家夥,它就是光。引力波所引發的空間變化再小,以光的速度也可以捕捉得到,于是一種專門用來尋找引力波的裝置就出現了,它就是“雷射幹涉儀引力波天文台”。這儀器的原理是這樣的:将一束光分成等強度的兩份,分别射入兩個相會垂直的管道中,管道盡頭有一面鏡子,光照射到鏡子上之後會反射回來,然後兩束光相遇後會互相抵消,位于後端的檢測是被就檢測不到光線。但是當引力波到來時,因管道的長度會發生變化,是以反射回來的光線就不會相遇抵消,是以後端的檢測裝置就會檢測到光線。

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雷射幹涉儀引力波天文台是一種極為精确的儀器,是以微小的聲音和振動都會導緻發出錯誤信号,是以必須在世界範圍内建立大量的天文台,隻有當所有天文台都發出信号時,才能夠确定引力波的到來。

終于在相對論提出整100年後,2016年6月15日,人類終于發現了來自兩個黑洞合并所産生的引力波,進而證明了引力波的存在,也進一步證明了廣義相對論的正确性。當今世界很多科學理論都是以相對論為基礎的,如果相對論出現錯誤,那麼很多理論體系都會崩塌,是以引力波的發現對于人類科學的發展是具有重要意義的。而且在未來,引力波在天文觀測、宇宙通訊等諸多領域的應用潛力是我們現在所難以估量的。

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