一分钟读懂爱因斯坦广义相对论，再也不怕饭桌上有人聊起引力波

wz306 · 发表于 2019-8-14 22:26:43

一分钟读懂爱因斯坦广义相对论，再也不怕饭桌上有人聊起引力波541 / 作者:wz306 / 帖子ID:51849

2月11日，美国物理学家在华盛顿特区国家媒体中心正式宣布，人类首次直接探测到引力波的存在，引力波由13亿光年外的两个黑洞在合并的最后阶段产生，两个黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳，最终合并成为一颗62倍太阳质量的高速旋转的黑洞，亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙间，自此，爱因斯坦广义相对论实验验证版图的最后一块终于被证实了。

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引力波的形成

虽然自然科学领域一直以来大师云集，其中不乏惊才绝艳之辈，但毫无疑问，阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）是20世纪最伟大的科学家，他的著作至今已经100多岁了。他提出的相对论完完全全改变了人类对宇宙的认知，当科学家们绞尽脑汁探索其真实性时，我们却被晾在一边使劲思考那玩意儿究竟是个什么鬼东西。

其实非常简单，一直以来，我们习惯性地把时间看做无法改变、不断向前运动的固定参数，生老病死、自然循环，祖祖辈辈没有什么不一样，这是一件多么理所应当的事情。那么如果有一天，你发现时间也是可以改变的呢？

爱因斯坦广义相对论的理论基础之一是四维空间，比我们熟悉的三维空间多了一个维度——时间。把时间（time）和空间（space）想象成一个东西，就有了科学界一直孜孜不倦探索的时空（spacetime）。

著名的爱因斯坦广义相对论等式

质量使得时空弯曲，就像是一块橡胶，时空可以被质量拉伸、延展和扭曲。爱因斯坦认为，事物的自然运动路线就是在时空当中寻找最简路径，比如当你从一座高楼上跳下来，除非来了一阵龙卷风，否则不要指望像只蝴蝶一样翩然起舞，你一定会直线下坠，在几秒内摔成一张肉饼。但由于质量使得时空发生了弯曲，其他物体就会向着质量最大的物体进行移动，这就是你感受到的引力，它就是弯曲了的，使你的脚落在地上的时间和空间。

这也是牛顿提出的“万有引力”定律的正确解释版，因为地球是离我们最近、质量最大的物体，我们会受到地球产生的时空弯曲的影响。当产生时空弯曲的质量体开始运动，引力的波动就会形成引力波，简单来说就是“时空的涟漪”。想象一只漂浮在静止水面上的船，当它开始运动，湖面会漾起一圈圈涟漪，就是这么简单。

既然运动的大质量体都会产生引力波，那么为什么地球运动产生的引力波无法探测到呢？因为当地球以每秒30千米的速度绕太阳运动时，产生的引力波大概只有200瓦，差不多等于家里电饭煲的保温模式。目前人类技术能探测到的引力波都来自于质量极大的天体加速、合并和碰撞等事件。

很难想象吗？弯曲的空间到底是什么样子的。那么先想象一束光，它在漫长的光年旅行中经过了太阳，按照爱因斯坦叔叔的理论，太阳周围的时空发生了弯曲，光势必不会沿着直线运动，光的运行轨迹会在太阳周围发生偏转，只是太阳的光亮太强，我们无法辨识这束光而已。当然，最后这个实验还是得到了证实，当太阳的光完完全全被遮住的时候，这个实验就有了实现的可能。这个实验方法也是爱因斯坦自己坐在凳子上想出来的。

理解爱因斯坦的理论离不开“想象”这个词，这也是他自己最擅长的东西，我们称之为“思维实验”，通俗来讲叫做白日梦。有时候不由自主会感到惊异，改变人类发展的理论，竟然来自于一个邋里邋遢、喜欢戴大草帽、不喜欢穿袜子的老头在凳子上做的白日梦。Comeon，人类的脑洞就是这么神奇。

言归正传，弯曲的空间至少离我们生活的三维空间比较接近，那么弯曲的时间呢？做个小实验，把一个钟放在高楼上，你会发现它走得稍稍比地上的快一些。不是什么灵异事件，只是因为离地球越远，时间和空间弯曲越小，受到地球影响的程度自然就越小。

也许把时间和空间分开类比的方法是错误的，因为他们本来就是一个完整的东西。

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发生弯曲的时空

广义相对论另一个重要假设是，它告诉我们宇宙有一个起点，大约145亿年前，从一个炽热稠密的起源向外膨胀，不断膨胀形成今天的宇宙。但事实是，我们发现宇宙膨胀的速度比爱因斯坦预测的要快，要遵循他的想法，必须发明一种编造出来的能量，暗能量（darkenergy）对快速扩张作出解释，而且我们不得不假设出一种暗物质（darkmatter）来解释扩张这种现象，这两种物质可能会占百分之九十五左右的宇宙空间。

暗物质绝大部分我们还不清楚，无法直接观测到具体形态，但已经有不少科学家观测到暗物质存在的证据，比如2009年12月21日，科学家在Souden煤矿中发现暗物质，这是迄今为止最有力的证据。

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暗物质想象图

在过去的100多年里，爱因斯坦的理论不断被证实，直到2016年2月11日，美国物理学家在华盛顿特区国家媒体中心正式宣布，人类首次直接探测到引力波的存在，自此，爱因斯坦广义相对论实验验证版图的最后一块终于被证实了。

结尾处不由再次感叹爱因斯坦叔叔神奇的脑洞，据说在他去世之后，他的医生偷偷将爱因斯坦的大脑取出来想要探索出人类进化的秘密，那么研究结果呢？谁知道，至少生物学界的科学家们没人找到秘密。