引力波的证实

最近，引力波的存在证实闹得科学界沸沸扬扬。著名物理学家霍金说这次的发现对宇宙学起到奠基的作用， 将为人类探索宇宙起源，研究宇宙提供一个新的手段和理论依据。

那么，引力波到底是什么东西？它为什么这么重要？

要讲引力波，那一定要从引力理论的鼻祖牛顿谈起。

1687年，经典力学奠基人，牛顿，发表了万有引力公式：F = GMm/r²。这个公式里表明，任何两个有质量的物体(A和B)相互吸引，像两块磁铁一样。它们之间的引力跟它们质量乘积成正比，即质量越大，引力越大；又跟它们之间距离的平方成反比，即相距越远，引力越小。（F:引力，G是个常数，M物体A的质量，m物体B的质量，r是两物体之间的距离）

这个公式的发表开创了现代物理新局面。这理论解释了一些基本天体现象：为什么地球沿着一个固定轨道绕着太阳转，为什么往天上任东西，最后总会落到地上。

但是，这个公式有几个问题，最大一个是：引力变化跟时间无关。想想这两个物体（A和B）相距几亿公里，如果A突然消失，根据这公式，B应该是在A消失的同时感受到引力的消失，因为这个公式里没有时间变量。这可能吗？

这引起了二十世纪初另一个伟大物理学家爱因斯坦的思考，因为根据他在1905年发表的狭义相对论，宇宙间速度最快是光速，约30万公里/秒， 而且这个速度是绝对速度：即使两个物体都以光速相对运动，它们之间的相对速度也不是光速的两倍，而仍然是30万公里/秒（注：这和我们在低速情况下看到的情形不同。比如两车在高速公路上都以70公里/小时相对开，那么他们之间的相对速度是140公里/小时）

根据这个速度，如果太阳突然消失，地球要在8分钟后才感受到太阳光线的消失（太阳距地球约1.5亿公里）。而根据牛顿的万有引力，地球却可以在太阳消失的瞬间感受到万有引力的消失。万有引力作用变化的传播比光速还快？

这个问题爱因斯坦足足思考了十年，特别是最后两年，他基本把所有精力都放在对这个问题的研究上。

终于，在1915年（距今正好一百年），经过无数挫折和失败后，他终于发表了广义相对论。在这个理论中，爱因斯坦把物体，时间，空间结合到一起。所谓引力作用其实是一个物体作用到时间和空间（时空一体），时空再作出反应，这个反应再蔓延到临近的其它物体上。

我们可以想象水面上有一只球，当你把另一只球扔进水中，水面产生的涟漪通过传播会作用到原来那只球上。这个涟漪在爱因斯坦广义相对论中被称为引力波。

在这个类比中，水面代表着宇宙空间，涟漪就是物体作用在时空上，时空做出的反应（即引力波）。涟漪传到另一支球而引起的反应就是牛顿理论中所谓万有引力的作用。

有人会问，明明宇宙的浩瀚空间大部分是真空，物体如何作用到这样的空间？另外，时间似乎是跟任何东西无关，如何可以被物体改变？

在爱因斯坦之前，人们认为空间是三维的，时间是永恒向前，不被任何东西所改变。不过，爱因斯坦的广义相对论改变了这所有的一切：1）空间不一定是三维的，在巨大物体周围，空间是弯曲的。在弯曲的空间里，一点到另一点的最短距离是一条曲线，就如从球面上一点到另一点的最短距离是曲线一样；2）时间离不开空间，特别是在接近光速和在极大密度的物体周围，时间受物体和速度的影响而变快或变慢。

为了帮助人们理解，爱因斯坦用蹦床来阐述他的时空概念。

想象时空就是蹦床。当一个重球（想象是太阳）放到这蹦床上，球周围的蹦床就会陷下去一点（这就是时空弯曲）。如果这时再把一个轻一点的球（想象是地球）也放到蹦床上滚动，由于蹦床在重球处陷下去，轻点的球会绕重的球转动。所以，轻的球绕重的球转动，并非因为有某种力牵着它，而是源于重球造成的塌陷。对于太阳和地球而言，地球绕太阳转，是因为太阳造成的时空塌陷使地球围绕太阳转。

回到之前的问题：如果太阳突然消失，地球会怎么样？

就如你把重球从蹦床上突然拿走，蹦床会从之前被重球压得那点起逐渐恢复形状，慢慢地影响到还在转动的轻球，轻球会飞出蹦床。同理，太阳消失后，周围弯曲塌陷的时空渐渐恢复，这个逐渐恢复的过程是以波的形式（引力波）并以光速传播的，八分钟后影响到地球。当这引力波到达地球时，地球就会飞出之前绕太阳的轨道，驶向宇宙其它地方。

这些很难为一般人理解的东西，如果你还是稀里糊涂，也不必太在意。只要知道：

1）万有引力并非可以瞬间作用到任何远的物体上。它实际是一种需要时间并以光速传播的作用力。

2）爱因斯坦广义相对论中的理论和预言都被实验证实是对的， 除了一样：引力波。

为什么探测到引力波会如此重要?

首先，它证实了爱因斯坦广义相对论的最后一个预言。第二，它的证实相当于伽利略发明了望远镜，麦克斯韦发现了电磁波原理。这些给人类探索世界，尤其是宇宙起源提供了无比先进的手段。

比如这次探测到的引力波就是由十亿年前发生的两个黑洞合并造成的。对这个引力波的研究，我们可以对过去，甚至是宇宙的诞生，进行更深入的研究和了解。

如果这个结果被瑞典皇家学会进一步证实，他们将是若贝尔奖的有力候选人。