手绘科普: <三体>中的科学1 - 引力波

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最近，世界各地的天文台和研究中心带来了振奋人心的消息:人类用引力波直接观测到两个中子星的碰撞。这让人想到在〈三体〉里以引力波通讯建立的黑暗森林威慑系统。那么我们是否又向三体的科幻世界迈近了一步呢？

其实引力波的概念早在1916年爱因斯坦的广义相对论中出现。根据广义相对论，引力是像电磁场一样的力场。所以像电磁场的波动形成光一样，引力场的波动所产生的就是引力波。

再深入一点来说，爱因斯坦认为我们所在的時空就像一匹蹦紧又有弹性的布，而一颗星就像一个在这匹布上面的一颗球。球越重，这匹時空布(Space time fabric) 上的洞就越大。这个洞的弧度就是引力。附近的物体(像行星)会沿着这个弧度走，速度够快就会沿着洞边走，速度不够快就掉进洞里去了。

引力就是时空的弧度(space time curvature) 是广义相对论的重要的观念。而这个观念的其中一个结论就是当时空的弧度有波动時，这个波动会沿着时空布四面八方的传出去，就像水上的涟漪一样。这就是引力波。

之所以说引力波的存在本身不是一个重大的发现，是因为广义相对论早就被其他的实验验证了(例如水星轨道的波动和引力透镜效应等)，所以引力波的存在早就被肯定。可是引力波的观察却是难上加难。这是因为，首先，产生引力波需要密度非常高的物体增速或减速，像两个黑洞或中子星的碰撞。这条件本身就很难实现。再者，经过茫茫的時空，引力波的能量会被一点一点的烧耗。到达地球時这些引力波所产生的時空波动大概是10^-20, 就是0.00000000000000000001。要察觉这么小的波动需要用全新的测量方法和异常精准的仪器。

2015年，美国的激光干涉引力波天文台(Laser Interference Gravitational-wave Observatory，简称LIGO)观测到两个黑洞碰撞所产生的时空波动。人类终于在爱因斯坦提出广义相对论的九十九年后第一次探测到引力波。而 LIGO 始创人萊纳.魏斯，巴里.巴里什和基普.索恩也因此获得了2017的诺贝尔物理学奖。LIGO用干涉的原理，就是当两束激光同一时间抵达同一个地点，若果光的波峰和波谷刚好重叠，两束激光就会抵消，这个地点就看不到光。这叫相消干涉(destructive interference)。所以理论上，可以把两束激光的距离设计为相消，当引力波的时空波动穿过其中一束激光，距离改变，它们就不再相消，我们就可以探测到引力波。

LIGO的理论从六十年代出现到2015年花了50年時间，是因为LIGO着实是个工程奇迹。去探测10^-20这个比质子还小的波动，两束激光需要在超真空下经过4公里的路程，穿过280个晶片和镜面，精确地以相消的情况下到达探测器。而且每一个晶片，镜面和探测器都是以最先进的工艺去减少瑕疵带来的噪声，和特别的设计去抵消因激光穿透所引起少于纳米程度的变形。2015年后，引力波探测仪先后四次探测到引力波。而最近一次(就是文章开头所说的一次)是引力波探测仪第一次先於其他仪器捕捉到的天文事件，也是人类第一次观测中子星的碰撞，从而肯定了重元素在宇宙的诞生过程，所以意义特别重大。

说到这里，那我们能不能像<三体>里面一样，用引力波去传递信息呢？既然引力波需要庞大星体的碰撞已产生，那么除非我们能够制造黑洞，引力波天线基本上是不可能的啦。

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参考资料：
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave