引力波的證實

最近，引力波的存在證實鬧得科學界沸沸揚揚。著名物理學家霍金說這次的發現對宇宙學起到奠基的作用， 將為人類探索宇宙起源，研究宇宙提供一個新的手段和理論依據。

那麽，引力波到底是什麽東西？它為什麽這麽重要？

要講引力波，那一定要從引力理論的鼻祖牛頓談起。

1687年，經典力學奠基人，牛頓，發表了萬有引力公式：F = GMm/r²。這個公式裏表明，任何兩個有質量的物體(A和B)相互吸引，像兩塊磁鐵一樣。它們之間的引力跟它們質量乘積成正比，即質量越大，引力越大；又跟它們之間距離的平方成反比，即相距越遠，引力越小。（F:引力，G是個常數，M物體A的質量，m物體B的質量，r是兩物體之間的距離）

這個公式的發表開創了現代物理新局麵。這理論解釋了一些基本天體現象：為什麽地球沿著一個固定軌道繞著太陽轉，為什麽往天上任東西，最後總會落到地上。

但是，這個公式有幾個問題，最大一個是：引力變化跟時間無關。想想這兩個物體（A和B）相距幾億公裏，如果A突然消失，根據這公式，B應該是在A消失的同時感受到引力的消失，因為這個公式裏沒有時間變量。這可能嗎？

這引起了二十世紀初另一個偉大物理學家愛因斯坦的思考，因為根據他在1905年發表的狹義相對論，宇宙間速度最快是光速，約30萬公裏/秒， 而且這個速度是絕對速度：即使兩個物體都以光速相對運動，它們之間的相對速度也不是光速的兩倍，而仍然是30萬公裏/秒（注：這和我們在低速情況下看到的情形不同。比如兩車在高速公路上都以70公裏/小時相對開，那麽他們之間的相對速度是140公裏/小時）

根據這個速度，如果太陽突然消失，地球要在8分鍾後才感受到太陽光線的消失（太陽距地球約1.5億公裏）。而根據牛頓的萬有引力，地球卻可以在太陽消失的瞬間感受到萬有引力的消失。萬有引力作用變化的傳播比光速還快？

這個問題愛因斯坦足足思考了十年，特別是最後兩年，他基本把所有精力都放在對這個問題的研究上。

終於，在1915年（距今正好一百年），經過無數挫折和失敗後，他終於發表了廣義相對論。在這個理論中，愛因斯坦把物體，時間，空間結合到一起。所謂引力作用其實是一個物體作用到時間和空間（時空一體），時空再作出反應，這個反應再蔓延到臨近的其它物體上。

我們可以想象水麵上有一隻球，當你把另一隻球扔進水中，水麵產生的漣漪通過傳播會作用到原來那隻球上。這個漣漪在愛因斯坦廣義相對論中被稱為引力波。

在這個類比中，水麵代表著宇宙空間，漣漪就是物體作用在時空上，時空做出的反應（即引力波）。漣漪傳到另一支球而引起的反應就是牛頓理論中所謂萬有引力的作用。

有人會問，明明宇宙的浩瀚空間大部分是真空，物體如何作用到這樣的空間？另外，時間似乎是跟任何東西無關，如何可以被物體改變？

在愛因斯坦之前，人們認為空間是三維的，時間是永恒向前，不被任何東西所改變。不過，愛因斯坦的廣義相對論改變了這所有的一切：1）空間不一定是三維的，在巨大物體周圍，空間是彎曲的。在彎曲的空間裏，一點到另一點的最短距離是一條曲線，就如從球麵上一點到另一點的最短距離是曲線一樣；2）時間離不開空間，特別是在接近光速和在極大密度的物體周圍，時間受物體和速度的影響而變快或變慢。

為了幫助人們理解，愛因斯坦用蹦床來闡述他的時空概念。

想象時空就是蹦床。當一個重球（想象是太陽）放到這蹦床上，球周圍的蹦床就會陷下去一點（這就是時空彎曲）。如果這時再把一個輕一點的球（想象是地球）也放到蹦床上滾動，由於蹦床在重球處陷下去，輕點的球會繞重的球轉動。所以，輕的球繞重的球轉動，並非因為有某種力牽著它，而是源於重球造成的塌陷。對於太陽和地球而言，地球繞太陽轉，是因為太陽造成的時空塌陷使地球圍繞太陽轉。

回到之前的問題：如果太陽突然消失，地球會怎麽樣？

就如你把重球從蹦床上突然拿走，蹦床會從之前被重球壓得那點起逐漸恢複形狀，慢慢地影響到還在轉動的輕球，輕球會飛出蹦床。同理，太陽消失後，周圍彎曲塌陷的時空漸漸恢複，這個逐漸恢複的過程是以波的形式（引力波）並以光速傳播的，八分鍾後影響到地球。當這引力波到達地球時，地球就會飛出之前繞太陽的軌道，駛向宇宙其它地方。

這些很難為一般人理解的東西，如果你還是稀裏糊塗，也不必太在意。隻要知道：

1）萬有引力並非可以瞬間作用到任何遠的物體上。它實際是一種需要時間並以光速傳播的作用力。

2）愛因斯坦廣義相對論中的理論和預言都被實驗證實是對的， 除了一樣：引力波。

為什麽探測到引力波會如此重要?

首先，它證實了愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言。第二，它的證實相當於伽利略發明了望遠鏡，麥克斯韋發現了電磁波原理。這些給人類探索世界，尤其是宇宙起源提供了無比先進的手段。

比如這次探測到的引力波就是由十億年前發生的兩個黑洞合並造成的。對這個引力波的研究，我們可以對過去，甚至是宇宙的誕生，進行更深入的研究和了解。

如果這個結果被瑞典皇家學會進一步證實，他們將是若貝爾獎的有力候選人。