2017年10 月3 日,2017 年诺贝尔物理学奖尘埃落定。它被颁给了美国物理学家雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什,以表彰他们领导建设激光干涉仪引力波天文台(简称LIGO),进而首次直接探测到引力波的伟大成就。
事实上,爱因斯坦于1915 年就提出了广义相对论;这是他一生中提出的最伟大的理论,我在后面会详细为你介绍。仅仅在一年之后,也就是1916年,他就用这个理论预言了引力波的存在。但直到整整100 年后,也就是2016 年,人们才能真正地探测到它。你看,是不是很奇怪?众所周知,20 世纪科技发展日新月异。那为什么要花整整100 年,才能揭开引力波的神秘面纱?这节课,我就来为你解答其中的奥秘。
首先,我来讲讲什么是引力波。让我们做个思想实验。想象一个很大的池塘,里面有非常平静的水面。如果往这个池塘里扔一颗小石子,原本平静的水面立刻会泛起波纹,或者说涟漪。这些涟漪会一圈圈地向外扩散,从而让整个池塘的水面都随之波动。如果原来的水面上还漂浮着一艘小木船,那它就会随水波而上下起伏。
现在,我们把这个池塘的水面想象成时空本身,也就是时间和空间的总称。广义相对论认为,有质量的物体可以让时空本身发生弯曲。而当有质量的物体发生剧烈运动的时候,它就可以像那颗小石子一样,让时空本身也泛起涟漪。这些涟漪同样会向外传播,从而让远方的物体也随之起伏。这种时空的涟漪就是引力波。