科學新知／白話引力波　什麼是引力波？它為何如此重要？

模擬圖顯示兩個黑洞碰撞並合，產生引力波。 大 中 小 眾所周知，宇宙所有物質和能量之間都存在著引力，比如說，物體在地球上的重量，便是地球對其引力所致。儘管，引力是人類最早認識的一種基本作用力；但是，人們對它的認識卻不太清楚。因此，無論是理論或實驗領域，物理學家們對引力仍然探索不止。根據人民日報報導，一個世紀前，愛因斯坦預測了引力波的存在。對於它們的存在，近百年來，科學家們只能找到間接的證據。而在美國華盛頓當地時間2016年2月11日這一天，這個百年前的偉大預言終於被證實。當天上午，鐳射干涉引力波觀測台（LIGO）實驗組召開新聞發布會，告訴全世界，首次直接觀測到了由兩顆恆星級黑洞13億年前並合產生的引力波。這是科學史上又一次具有劃時代意義的發現。那麼，究竟什麼是引力波？它為什麼如此重要？引力波是什麼？
如果把引力比作大海，那麼引力波就是大海中波浪的激蕩在瞭解引力波之前，讓我們先來說一說引力是什麼。引力全稱萬有引力，又稱重力相互作用，它是指具有質量的物體之間加速靠近的趨勢，簡單說就是物體之間相互吸引的作用力。它是自然界的四大基本相互作用力之一，也是自然界中最普遍存在的力，可以說是無處不在。中國科學技術大學物理學院教授蔡一夫解釋說，在經典力學中，萬有引力被認為是帶有質量的物體之間所存在的相互作用。然而，在愛因斯坦的廣義相對論中，萬有引力是由於存在質量對時空的彎曲所造成的現象。『廣義相對論認為，物質的質量會使得時空彎曲。比如說有個人在一個沙發上坐下時，原本平整的沙發表面就立刻會向下凹陷，出現一個坑，而之前放在沙發周圍的物體就有向坑中間滑落的趨勢，於是就產生了萬有引力。』『在宇宙空間也是一樣，比如把太陽、地球、恆星、黑洞等大質量的天體放在時空中，時空就會形成「凹陷彎曲」，萬有引力也就產生了。』美國麻省理工學院物理系研究員蘇萌說。由此可見，在愛因斯坦廣義相對論的視野裡，引力等價於彎曲的時空。而引力波就是在彎曲的時空這個大背景下，當發生有質量的物體加速運動導致的擾動時，由此產生的波動如波紋一樣向外傳播的現象。『如果把引力比作大海，那麼引力波就是大海中波浪的激蕩。』蔡一夫說。蔡一夫拿蹦床舉例進一步解釋說，『如果一個運動員站在蹦床上，他站著的那個位置就會形成一個凹陷，也就是我們所說的彎曲。如果這個運動員在那裡一動不動的話，那個彎曲就像被扳彎的鋼尺一直緊繃在那裡。這種緊繃其實是在儲存能量。如果他稍微動一動，跳一下，這個蹦床就會把他彈起來。為什麼會被彈起來呢？就是因為之前儲存的能量釋放了。這個釋放不僅是把人彈到了空中，而且使得這個蹦床表面從一開始緊繃的靜止狀態一下子變成反覆起伏、上下翻滾的褶皺狀態，這個起伏翻滾並傳開來的褶皺就可以理解成一個波動的傳播，即產生引力波。』蔡一夫說，如果把宇宙空間比作蹦床，把黑洞比作蹦床運動員，它在宇宙這個大蹦床上透過碰撞、並合等方式蹦了一下，就會把之前儲存的巨大能量釋放出來，這種行為會擾動周圍的時空，造成起伏和震動，這個能量就會以引力波的形式傳遞出去。這種起伏的程度越大，波動就越大，引力波也就越強。


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