引力波是什么？
操作方法
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01
《泰坦尼克號》中杰克和露絲之所以會互相吸引，除了因為愛，還因為質量。在愛因斯坦的描述中，有質量的物體會使它周圍的時空發生扭曲，物體的質量越大，時空就扭曲得越厲害。如果你將時空看成一張大橡膠膜，然后往上面放一個露絲，那么她的質量就會把橡膠膜往下壓，在旁近放一個杰克，可以看到，露絲球和杰克球分別造成的時空彎曲，讓他們倆逐漸滾向了對方并最終親密接觸。這種變化以波的形式向外傳播，用聽起來很厲害的說法講，就是“引力波”，換文藝點的說法講，就是“時空的漣漪”。
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02
引力波來自距離我們13億光年處的兩個黑洞的合并。這兩個黑洞的直徑都不大，不超過150千米。最令人感興趣的是，探測引力波有助于我們追溯宇宙更早期的歷史。在大爆炸之后，宇宙曾經歷過一段“黑暗時期”，時間延續大約38萬年。那時，宇宙中的物質還沒冷卻到可以發射和傳播電磁波，所以整個宇宙漆黑一片。對于宇宙的這段歷史，天文學家只有理論上的一些模糊猜測。但從理論上說，從大爆炸那一刻起，宇宙中就已彌漫著作為背景的引力波，而且引力波幾乎不與物質發生作用，穿透能力很強，所以未來如果我們探測到這些背景引力波，或許就能窺探到宇宙更早期的歷史，然后回答諸如“宇宙有沒有發生過爆炸”等問題。
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03
引力波其實就是時空本身的一種波動。空間的波動是不難理解的，無非就是長度的伸縮而已。根據廣義相對論，引力場的強度會影響時鐘的快慢。兩個校對好的時鐘，一個拿到引力弱的地方，另一個拿到引力強的地方，最終你會發現，后者走得比前者慢。這就是引力的時間膨脹效應。而引力波所過之處會引起引力場的變化，那么自然，它也會引起時間的“波動”。
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04
波的傳播需要速度，引力波也不例外。根據廣義相對論，引力波的傳播速度是光速。但這僅僅是一個理論上的假設，因為只有這樣假設時，廣義相對論才最簡潔。不過在得到實驗驗證之前，當然也不排除小于光速的可能。但要它比光速快，這是絕對不可能的。因為相對論的一個前提假設是：光速是物質運動和作用力傳遞的極限。而引力波又是由廣義相對論預言的。
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05
引力波的發現，是不是讓我們離時間旅行的夢想更近了？謹慎地講，引力波跟時間旅行八竿子打不著。因為時間旅行需要超光速，只有發現超光速的東西，才能談得上時間旅行，而在上面的問答中，我們已經講到，引力波的速度無論如何不會超過光速。但引力波的發現，未來或許可以讓科學家更深入地研究時空關系，從這個意義上未嘗不可以說，這個發現讓我們離實現或打破時間來旅行的夢想更近了。
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06
我們探測到引力波是如此微弱，再說引力波和聲波又是性質截然不同的兩種波，所以人的耳朵當然是聽不到引力波的。但在實際探測的時候，通過電子儀器，引力波已經轉化成了電信號，而把電信號放大之后轉化成聲音信號又是很容易的，這樣一來，人的耳朵就能“聽到”引力波了。
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07
引力波是彌漫空間的波動，當它“擊中”美國的引力波探測器時，也同時會“擊中”每個地球人。如果把引力波的傳播方向設置為三維坐標的Z軸，當引力波“擊中”你時，在垂直于該坐標軸的X方向上，你的身體會輕微地拉長，在Y方向上，你的身體會輕微的收縮。然后，反過來，在X方向上收縮，在Ｙ方向上拉長；這樣來回振蕩，直至引力波消失。不過，事實上，哪怕你的身體尺寸有幾千米高，變化幅度也不超過一個原子核的尺寸，所以你是覺察不到這個變化的。
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08
前面我們提到，需要質量非常大的物體在急劇加速或減速時，地球人才能探測到諸如這次那么微弱的引力波。這種情況據科學家目前所知，僅當兩個中子星或者黑洞合并的過程中才會發生。而中子星或黑洞上存在外星人，當然是不可設想的。此外，如果外星人真的能用引力波來搜尋我們，那說明它們的文明程度已經遠遠高于我們了。在這種情況下，正如霍金以前所建議的，我們還是不要回復的好，以免“引狼入室”。
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09
引力波可以被用作窺探宇宙深處的工具。由于有幾乎不衰減的特性，它能幫我們洞悉整個宇宙的源頭。不是某種生物，某顆行星或者某個星系的起源，而是整個宇宙的起源。引力波的存在一經證實，我們將以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。而一旦尋找到合適的引力波，人們將能夠為大爆炸理論和宇宙膨脹理論找到有利的證據。
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- 發表于 2017-10-16 00:00
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- 分類：科學教育
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