為什麼探測到引力波有如此重大意義？

文/簡書作者：findingsea

北京時間2016年2月11日晚，激光干涉引力波天文台(LIGO)通過觀測兩個黑洞的碰撞融合過程，並宣布證實了引力波的存在。

隨著而來的，是微博和票圈排山倒海的轉發，不管是資深天文迷或者物理學愛好者，還是資深熱門事件參與愛好者，都熱情高漲，大家紛紛表示科學太偉大科學新時代balabalabala，然後心滿意足地睡覺去了。

在此謹向彼得希格斯教授以及LHC（歐洲大型強子對撞機）研究中心致以最深切的遺憾，2013年他們同樣劃時代的發現與成就，在中國的社交媒體上連個水紋都沒有。

不過，不管是真的愛好科學，還是只刷下存在感，有更多人參與，就有更多能了解，也算是為科普工作盡一份力。

由於這次發現的影響力如此巨大，在各種網路媒體上，都已經發布和轉載了各類科普文章和視頻，詳細直觀地解釋了引力波是什麼以及如何探測引力波，只要你用心看完，懂得其中道理不是難事。

我想在本文稍作說明的，是為什麼探測到引力波有如此重大意義？為什麼不管是科學家還是科普媒體，都跟打了雞血一樣興奮？為什麼說這是劃時代的成果並開啟人類探索宇宙的方式？甚至有不少天文學家，將其對天文學的意義比喻為「如同伽利略第一次將望遠鏡對準夜空」。

對相對論最後一塊拼圖的驗證：

探測到引力波的最直接成果之一，就是使得廣義相對論真正成為了完備驗證的理論。

似乎冥冥之中自有天意，1915年愛因斯坦發表場方程，建立廣義相對論，隔年他利用廣義相對論預言引力波的存在，百年之後人類第一次直接探測到引力波，完備驗證了廣義相對論。

在愛因斯坦提出廣義相對論後，實驗物理學家對其做了大量實驗驗證，絕大部分的實驗都證實相對論各方面的正確性，其中最著名的實驗，當屬1919年艾丁頓利用日全食所做的引力場中的光線偏折實驗，也是這個實驗算是第一次部分驗證了廣義相對論（當然這對諾貝爾獎委員會並沒有什麼卵用，終愛因斯坦一生也沒能因為廣義相對論獲獎，唯一一次獲獎是因為他對光電效應的研究）。

愛因斯坦用廣義相對論做出的種種預言都陸續得到了驗證，唯有引力波實在探測難度太高，一直沒有得到直接的驗證。雖然物理學界都已經普遍接受廣義相對論，並公認其正確性，能不能直接探測都不影響相對論的地位（普遍認為直接探測也只是時間問題），但引力波就好像是一張完美拼圖上的最後一塊，如今這塊拼圖終於拼上了。

記得把探測報告燒給愛因斯坦，這樣他又能拿著向上帝炫耀了。：）

感知宇宙的漣漪：

在能探測到引力波之前，人類對宇宙的觀測手段，經歷了這麼幾個階段：

肉眼：再原始不過了，什麼亂七八糟的星座都是古人拿肉眼看的。

光學望遠鏡：一下子拓寬了我們的視野，能看到肉眼不能及的範圍，著名的哈勃望遠鏡就是光學望遠鏡。

射電望遠鏡：通過接收來自宇宙的各種射電波來聆聽宇宙，我們在科幻片里常看到的朝天的「大鍋」就是射電望遠鏡。

如果把肉眼和光學望遠鏡比喻成「看」，那射電望遠鏡就像是「聽」，而引力波就是「感知」。通過漣漪的波動，來反推出核心漩渦的信息。

雖然在沒有霧霾和城市光污染的夜晚里，我們能看到璀璨的星河，但是要知道真正的宇宙中，大部分地方（90%以上）都是無盡的黑暗。而且這種黑暗是真正的、永恆的黑暗——因為它們是黑洞和暗物質，不管造多強多好的望遠鏡，對這些黑暗我們都束手無策。

有了引力波探測之後，這是「開眼看世界」級別的提升，我們終於有能力去探測宇宙的黑暗裡到底有什麼。雖然暗物質無形無色，但是它有著巨大的質量，利用引力波我們終於能捕捉到它的蛛絲馬跡。和引力波觀測的廣度相比，我們以前對宇宙的觀測和認知簡直如同瞎子猜謎。利用引力波之後，我們終於可以看到一個完整的宇宙。像這次LIGO就觀測到了兩個黑洞的融合過程，這在以前是連想都不敢想的。

同時，對原初引力波的研究，更是把目標直指終極理論（大爆炸）。想想在有生之年，我們也許能見證終極理論被證實的一天，一窺上帝的秘密，簡直太讓人興奮了。

看各種言論，已經有同學樂觀起時間旅行了。是的，時間旅行的確也是相對論的衍生，但是LIGO的本次實驗，只是檢測了空間彎曲，而不是時空彎曲，雖然一字之差，卻是雲泥之別。人類對時間的利用還遙遙無期。不過誰知道呢，科學不就是去完成原來看起來不可能的事情嗎？：）

實驗物理的追趕：

在過去的很長時間以來，物理學陷入實驗物理遠遠落後於理論物理的掙扎中。也就是說，理論物理學家已經提出了一大堆合理假說，但是實驗難以驗證（愛因斯坦那時候就是這樣）。

不過，隨著工程技術的進一步發展，現在我們都有更大功率的強子對撞機了，我們有更好的激光干涉引力波天文台了，而且我們即將會有引力波探測衛星了，我們可以在繞地軌道上構建起數百公里的引力波探測陣列。

實驗物理終於要臨頭趕上了，同時人類對真理的探索也邁出了無比堅實的一步。

結語：

結束之前，我想提一下希格斯教授的研究成果。在很多物理學研究中，質量都是必不可少條件，比如質能方程，比如萬有引力方程，但是有沒有想過：那質量是哪裡來的？對中子質子夸克的研究表明：這些基本粒子本質上就是一團能量。那物質的質量從何而來？希格斯教授提出的微觀粒子理論體系，預言了微觀世界中，存在這麼一種粒子，它可以賦予別的粒子質量，命名為希格斯粒子。世界上大多數強子對撞機的最初建造目的就是找尋希格斯粒子，30多年來，量子物理學家不斷研究，對撞機也越造越大。2013年，LHC根據最新一次對撞機的實驗結果，宣布證實了希格斯粒子的存在。同年，彼得希格斯教授被授予諾貝爾物理學獎。

希格斯粒子的證實，從理論層面使得微觀粒子理論徹底統一（這也是為什麼此後就有很多量子物理學家轉而去研究暗物質了），從實際意義層面，想像一下以後我們也許有能力隨意控制一個物體的質量，如果將其質量降到無限小，那麼就可以輕易將其加速到接近光速，這畫面簡直太美了。

最後不知道如何結尾，只是想說，現代科學的發展早就遠遠超越了人類常識，去了解和學習這些理論和知識，也許對日常生活沒有幫助，但是它能讓我們更敬畏我們生活的這個世界，也讓我們更敬畏自己。

findingsea：簡書原創作者。微信公眾號：LinTalk

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