引力波是啥？可能這是目前最通俗易懂的解釋了

最新 10-17

摘要：錯過了這篇文章，可能你這輩子都不理解引力波是啥？

科學家發現引力波的新聞刷屏了。先感嘆幾句：科學之瑰麗壯觀，它所有的迷人之處，是簡潔、優美、可以理解。這種超越人類經驗的存在，超越感官可觸及的東西，卻能被人類認知。

探尋真理讓人沉醉...For the greatest mind !

情懷抒發完了，接下來問題，引力波是啥，這一發現為何如此轟動？

看到圍觀群眾紛紛不明覺厲，筆者朋友圈很多受過高等教育、擁有一流學歷的人也在問同一個問題，不免感嘆我們教育真的存在很大的問題。被習題和試卷禁錮的大腦，難以真正深入理解一個東西，沒有熱愛，創新又如何能萌芽？背誦課文不會萌生髮現的喜悅，更不談獨立思考認知世界的快感。我們「權威」的教科書，我們以前「高高在上」的老師和教授，需要自省，甚至回爐。

第一個問題，愛因斯坦發現，光速不變，必然要求空間會「變」。

先普及一個常識，我們看見的太陽散發出來的刺眼的光，跟我們看不見的收音機、手機、衛星發射和接受的電磁波，其實是同一個東西。「可見的光」是頻率在某個範圍的電磁波。

近代研究電磁現象有一個重大發現，電磁波的傳播速度是恆定的，也就是光速是一個固定的數值。無論是在火箭尾焰上出現的光，還是在一架列車上向外打手電筒，「光」這種東西居然不會因為處在運動狀態下提高速度。

就是這麼一個問題，別人都「習以為常」，卻在愛因斯坦頭腦中縈繞了多年。最後，他提出了一個大膽的假設，光速不變，是因為以光的視角看，它沿途經過的空間發生了摺疊伸縮。

這是什麼意思？當某個人要加速的時候，道路突然變長了，然後它到達某個地點的時間還是固定的。

第二個問題，引力是什麼？

很多人對引力的課本記憶還停留在「重力」，重複了一千遍的「一顆蘋果砸到牛頓腦袋上」的故事。

普通人對引力的理解，應該是「兩個物體天生就有互相吸引靠近的力，叫做引力」。這要極需被糾正的常識，引力並不是一種「力」，它是一種屬性，我們生存的宇宙空間（嚴格來說是時空，時間空間互相影響，不可分割）的一種幾何特性。

一開始，我們認為空間是獨立於任何東西存在的。就像一個空曠的舞台，沒人的時候存在，有人的時候也存在，台上會有各種表演，或者堆滿了各式「道具」，而無論上面發生了什麼，都是表演者和道具的事，舞台不受影響；

理所當然，單純依靠人類經驗會認為，空間是我們棲身的地方，無論在地球還是在宇宙，「舞台」本身是永恆的獨立存在。後來，科學家發現「舞台」並不是不受任何影響，「舞台」會因有質量物體的存在而「彎曲」。

空間會彎曲，而不是平整的？空間可以被「掰彎」，證據呢？

實驗證據，日食觀測

常識認為光線是沿直線傳播的。光線發生「彎曲」，並不是光本身發生了彎曲，而是空間發生了彎曲，即光走的路是「彎」的。牛頓力學認為月球繞地球運轉是因為月球受到地球引力的吸引，但廣義相對論則認為是地球的質量扭曲了附近的時空，月球在彎曲時空以最自然的方式運行，走出了一條繞地球運轉的曲線。就如火車沿鐵軌運行一樣，當鐵軌變彎曲後，火車自然沿彎曲的鐵軌運行。

1911年愛因斯坦預言，當恆星的光非常接近太陽時，因為太陽的引力將會有一個小小的偏離，並第一次提出這種恆星光線的彎曲是可以測量的。

1915年愛因斯坦的廣義相對論發表，並計算出星光在穿過太陽附近時所產生的偏折角度為1.75角秒。光線在引力場中的彎曲，廣義相對論計算的結果比牛頓理論正好大了1倍，愛丁頓和戴森的觀測隊利用1919年5月29日的日全食進行觀測的結果，證實了廣義相對論是正確的。

數學理論，支持我們的空間是可以被彎曲的

歐幾里得的《幾何原本》在構建經典時空時有五個倚靠直覺的公設：

由任意一點到任意一點可作直線。

一條有限直線可以繼續延長。

以任意點為心及任意的距離可以畫圓。

凡直角都相等。

同一平面內一條直線和另外兩條直線相交，若在某一側的兩個內角的和小於兩直角，則這兩直線經無限延長後在這一側相交。（平行線公設）

第五條定義平行線的公設有些拗口。很多人就想用著前四條更基本的直覺觀念去證明第五條，結果羅巴切夫斯基和高斯先後發現，前人的證明多是錯誤的循環論證，平行線公設無法由前四條推理證明。

1820年代，俄國喀山大學教授羅巴切夫斯基在證明第五公設的過程中，他走了另一條路子。他提出了一個和歐氏平行公理相矛盾的命題，用它來代替第五公設，然後與歐氏幾何的前四個公設結合成一個公理系統，展開一系列的推理。但是，在他極為細緻深入的推理過程中，得出了一個又一個在直覺上匪夷所思，但在邏輯上毫無矛盾的命題。最後，羅巴切夫斯基得出兩個重要的結論：

第一，第五公設不能被證明。

第二，在新的公理體系中展開的一連串推理，得到了一系列在邏輯上無矛盾的新的定理，並形成了新的理論。這個理論像歐氏幾何一樣是完善的、嚴密的幾何學。

這種幾何學被稱為羅巴切夫斯基幾何，簡稱羅氏幾何。這是第一個被提出的非歐幾何學。後來黎曼引入新的公設取代第五條平行定理，引出了黎曼幾何（或稱橢圓幾何）。人們最終發現，歐式幾何、羅氏幾何、黎曼幾何這三種幾何學，都是常曲率空間中的幾何學，分別對應曲率為0、負常數和正常數的情況。黎曼曲率等於1、-1和0的空間分別是黎曼球空間、羅巴切夫斯基空間和歐氏空間。歐氏空間可看作黎曼空間的特例。

黎曼統一了黎氏幾何，羅氏幾何，歐氏幾何，並且預見，物質的存在可能造成空間的彎曲。為愛因斯坦的廣義相對論準備了數學基礎。

更到後來，人們還發現。

線的長短是一個幾何問題嗎？以洛侖茲變換和狹義相對論來看，線的長短是相對的，和速度有關，不是單純的幾何問題。

線的彎直是一個幾何問題嗎？按照人類經驗，光線走兩點之間最短路線，兩點之間最短路線是直線，所以光線就是直線。但是，實驗證明，光線在引力場會彎曲，所以，直線的概念並不純粹是幾何問題，還和物質的性質有關。

普通人會驚訝，我們看到的、感受到的、理所當然認為的許多日常觀念，漏洞百出。

第三個問題，引力波不是一般意義上的「波」，而是空間持續的扭曲震蕩。

空間可以被扭曲，因為有質量物體的存在。那超大質量物體，可以把空間扭曲到什麼程度？

黑洞這種理論預言存在的天體，可以把空間扭曲成一個「無底洞」，任何東西只要「掉進去」就再也出不來。