时空结构中产生的涟漪 —— 引力波是如何工作的？

北京时间 9 月 15 日消息，引力不仅是一种把万物吸引在一起的力量。通过我们对广义相对论的了解，我们知道，引力可以在时空结构中产生涟漪 -- 引力波。

▲ 黑洞碰撞时在时空结构中引起的涟漪模拟图

那么引力波到底是如何工作的呢？

爱因斯坦在提出广义相对论后不久，他便意识到引力可以产生波。但是，很快，他又对自己的结论有所怀疑。他通过广义相对论的简化形式意识到引力波的存在，但是爱因斯坦并不知道引力波究竟是真实存在的还是只是简化过程的一个产物。

众所周知，广义相对论的方程式很难求解，所以也难怪连爱因斯坦本人都对此含糊其辞。物理学家们花了几十年时间才最终得出广义相对论确实支持引力波存在的确切结论。换句话说，引力波是实实在在存在的。

宇宙万物的一切运动几乎都会产生引力波。和任何其他波一样，轻微摇摆就可以产生引力波。如果你搅动水，你会看到水波。如果你喉咙振动，你会发出声波。如果你晃动一个电子，你会制造出电磁波。要产生引力波，你要做的就是给物体加速。

引力波以光速从波源向外传播，是引力作用下的涟漪。当引力波穿过你的时候，你会被拉伸、挤压，仿佛有一只巨大的手像揉捏橡皮泥一样揉捏你。

你会感觉到引力波吗？

虽然宇宙中的万物一直在产生引力波，但你却从未真正注意到它们。到目前为止，引力是自然界四种基本力中最弱的一个。哪怕我们把引力放大 10^27 倍，引力仍比其他三种基本力 -- 弱核力、电磁力和强核力 -- 弱好几个数量级。引力波则更弱；引力波是正常引力之上的微小扰动。

这也意味着你挥挥手产生的引力波几乎不存在。想要在时空中制造出大量引力波，你需要非常大的质量和能量运动，比如黑洞碰撞、中子星撞击、超新星爆发、吞噬整个恒星的超大质量黑洞，乃至宇宙大爆炸初期释放的混乱力量。

如果你处于两个合并黑洞的半英里范围内，黑洞合并释放的引力波将强大到足以把你撕裂。但是，如果你处于数百英里之外的话，你的头发丝甚至都不会动一下。

而我们的地球又处于一个非常有利的位置，距离这些灾难性事件有数百万或数十亿光年之远。传播到地球的引力波振幅不会大过一粒质子的宽度。

当然引力波也很神秘

由于引力波极其微弱，人类用了近四分之一个世纪的技术发展才最终探测到引力波。2015 年，激光干涉引力波天文台（LIGO）确认首次探测到引力波。该引力波来自于 14 亿光年外的两个黑洞的合并。

引力波微弱也有一个好处：由于引力波十分微弱，它们几乎不与任何物质相互作用，因此引力波可以在整个宇宙中自由传播，不会被散射或吸收。这也意味着，我们可以到一些在通常情况下看不到的事物。

如果两个黑洞在太空中间碰撞，我们怎样才能观测到这个事件呢？如果这两个黑洞在碰撞过程中没有释放出任何形式的电磁辐射的话，我们的望远镜就无法观测到整个过程。但是，这些碰撞会以引力波的形式释放出大量能量，通常要比宇宙中所有恒星产生的能量总和还要多。

自从 LIGO 在 2015 年首次探测到引力波以来，LIGO 和意大利的另一座也是用来探测引力波的大型干涉仪 Virgo，已经确认超过 48 起黑洞碰撞事件。我们已经从偶尔探测到引力波阶段步入一个成熟的天文学分支阶段。这些微秒的振动将帮助下一代天文学家洞悉宇宙内部运作和新发现的奥秘。