开学了，这样把物理学家都感动哭了的引力波讲给学生！

2016年2月11日晚，全世界的物理学界都沸腾了，被预言已经百年的引力波，终于被LIGO探测到了。引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图，其发现并获证实，是物理学界里程碑式的重大成果。

据媒体报道，一位物理学家如此形容自己的心情：“堂堂男子汉很少哭，当时心中忽然暖流涌动，但还是强忍住没哭。那是一种强烈的感动，感动到想哭的感觉。整个新闻发布会上，我一直强忍着。”

LIGO观测到的引力波爆发，就来自于我们从前从来没有观测到的双黑洞系统。LIGO的引力波数据显示，距离我们13亿光年的两颗黑洞在围绕对方的高速旋转中碰撞到了一起，合并成为了一个新的黑洞。这过程中发射出的能量，比整个宇宙辐射出的能量总量还要高出三倍。

各种社交媒体迅速被“引力波”刷屏，作为教师，可一定要把这个重大发现给学生讲讲啊。

其实，在一些耳熟能详的文化作品里，引力波已经见怪不怪了。

首先要讲的当然是我国科幻文学领军人物刘慈欣的小说《三体》。

“罗辑一家远远地就看到了引力波天线，但车行驶了半小时才到它旁边。这时他们才真正感受到它的巨大。天线是一个横放的圆柱体，有一千五百米长，直径五十多米，整体悬浮在距地面两米左右的位置。它的表面也是光洁的镜面，一半映着天空，一半映着华北平原。”

——《三体》

在《三体》里面，人类用来和三体星人抗衡的武器，就是引力波发射装置。主人公罗辑发现“黑暗森林”法则之后，威胁三体星人要将对方的星空坐标通过引力波广播出去，将对手暴露在更加凶险的未知敌人面前。三体星人因此就范，与人类达成了和平。

在刘慈欣的小说中，引力波能够成为通信工具的原因，是它可以轻易地穿透物体，并且不会发生任何衰变。从这个角度上来说，刘慈欣对引力波应用的想象恰如其分。只不过对于我们人类来说，接收到的引力波信息来源并不是宇宙中某个具有高度智慧的文明，而是宇宙本身。

其次，就是一部相信很多人都已看过的电影《星际穿越》，你一定记得在电影《星际穿越》结尾处，库珀博士在高维空间中干扰地球引力，给女儿留下了突破人类科学极限的关键信息的场景。正如有篇著名的影评所说：“能够穿越星际的，不止引力波，还有爱。”

现在来讲讲引力波的事情。先看一段视频，然后再看具体的解释吧。

5min视频为您形象介绍引力波

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视频来源：优酷

引力波是什么？

根据爱因斯坦的广义相对论，引力起源自质量对空间的扭曲：在任何有质量的物体附近，空间的织构都会受到扭曲。但这个扭曲并不总是呆在那物体附近。特别地，爱因斯坦意识到这种空间的弯曲形变可以在宇宙中传播，就像地震波在地壳里传播那样。然而它与地震波不同的地方在于它可以在空无一物的太虚中传播——并且还是以光的速度。

假如有引力波在你眼前向你扑面而来，你会看到你前方的空间在上下或左右方向上时而被拉伸时而被压缩的效果。

只有暴胀能产生引力波吗？

不。任何有质量的物体的加速运动都会产生引力波。实际上我们有可能直接探测到的引力波只能是来自于天体大灾变事件，比如两个黑洞的碰撞融合。至今分布在世界各地的几个观测站都在努力寻找来自宇宙深处黑洞融合所产生的噪声。

为什么只有通过射电望远镜才能看到引力波？

暴胀所导致的引力波至今仍在在宇宙各处回荡，但现在的它们已经老态龙钟十分虚弱，而难以被直接探测到。于是科学家们转而观察所谓的“宇宙微波背景辐射”，来追溯在宇宙创生380000年后，引力波在充斥全宇宙的基本粒子浓汤当中所留下的印记。通过射电望远镜可以观测到微波背景辐射，因而要看到引力波所导致的宇宙涟漪就只能借助射电望远镜。

为什么要在南极观测呢？

BICEP2所寄居的Amundsen-Scott南极站坐落在南极冰盖上海拔2800米的地方，那里的大气非常稀薄。空气也十分干燥，所以没有过多的水蒸气阻挡无线电波。另外，南极洲几乎没人居住，从而避免了来自手机通讯、电视广播以及其他日常电子产品的电波干扰。

宇宙大蹦床

很多人都听说过爱因斯坦的广义相对论，但并不知道它讲了什么。事实上，广义相对论的很多推论是人们的直觉无法理解的。比如这一项——引力的定义。

在广义相对论中，引力被归咎于时空的弯曲。“时空弯曲是什么鬼?”相信大多数人听说之后都是这个反应。它的意思是，我们平时看到的空间貌似是平直的，但真实的情况中，却是像哈哈镜里一样扭曲的。这种扭曲是物质造成的，质量越大，扭曲就越大。

我们可以把宇宙想象成一个蹦床，如果没有任何扰动，它是平坦的。但有质量的物体出现时，比如一个鸡蛋，来游乐场的小孩子，或者是地球这样的庞然大物，它就会变得弯曲。

可怜的是，这种弯曲，对于生活在蹦床上的微小生物——我说的就是人类这种生物——来说，一是由于我们跟着蹦床一起弯曲了，二是由于这种弯曲太微小，我们完全感觉不到这种弯曲。大质量物体周围空间会像蹦床一样开始弯曲

如果只是弯曲还好。但如果这个大质量物体发生变化——鸡蛋被吃了，小孩子蹦走了，或者地球爆炸了——蹦床就会开始震动，这种震动就是引力波。当然，跟着一起震动的我们也感觉不到它在震动。

如果地球消失了，周围的空间就会开始震动，像涟漪一样传播开去。

用圆规丈量宇宙

对于不喜欢睡眠被地震打扰的我来说，感受不到宇宙的震动是多么幸福。但物理学家可不这么想，他们急需感觉到震动，来证明自己确实读懂了宇宙。他们还希望通过对震动的研究，来把宇宙读得更懂。于是，他们发明了世界上最大和最贵的“圆规”，或许很像，但他们把它叫做迈克耳逊干涉仪，或是LIGO。

引力波探测器很像一个圆规，不过更为巨大

LIGO的“两条腿”都有4000米长，最近的一次升级就花去了几十亿美元。

在大年初五带来引力波消息的LIGO并不像财神，相反，这个美国国家科学基金会(NSF)资助的项目前前后后已经花去了数十亿美元。

LIGO的原理是什么?假设我们有两个短跑运动员，他们在任何情况下跑步速度都一样，那么，如果跑道因为引力波扰动，长度发生了变化——就像蹦床表面会因受力，在一个方向上拉伸一样，他们从LIGO的两条腿上跑回来的时间就会发生些微的差异。我们就知道，空间确实在震动。

然而，这并不是那么简单的。最简单的两个原因——第一，震动太小了，也许4000米只会发生0.000000000000000001米(我帮你数好了，这里应该有17个0)的变化。虽然圆规腿已经这么长了，这也这只是勉强能让我们感觉到两侧运动员，也就是激光回来的差异。

第二，我们不能让诸如跺脚、打喷嚏或是地震影响我们的观测，所以要用各种设备让两条腿稳定。同时，我们还要在很远的地方再建一个，如果两个都震了，我们就知道这不是科研人员绝望情况下掀桌子引起的。

物理学家在地球上建了一大堆探测器。其中，这次成功的LIGO在美洲东西海岸各有一个探测基地。

1991年，麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会(NSF)的资助下，开始联合建设“激光干涉引力波天文台”(LIGO)。不过，LIGO建成后一开始并没有什么作为，经过数次耗资不菲改造，LIGO总算带来了好消息。

引力波能带来什么？

对于大众来说，或许会怀疑花费这么多美元——教育家会计算能建多少学校，贫困国家会计算能买多少粮食，诸如此类——去探索引力波有何意义。但对疯狂的物理学家来说，他们会觉得，这不但值回票价，而且就像免费的一样便宜。

爱因斯坦当然会高兴听到这个消息，因为这证明了他不像普通人类的脑袋瓜又对了，他想像出的东西，人们花了大把钞票辛苦了数十年，总算看到了。不过，其他物理学家呢?

对物理学家来说，这轻轻的一震，比《美人鱼》、《星球大战》乃至人类史上所有的电影加起来都好看，因为它蕴含的剧情，是宇宙诞生的画面。

我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着，在时空的开始时，这个大蹦床有一次最剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动——它是否存在，有多大规模，诸如此类。

除此之外，引力波还能让我们知道，我们看不到的宇宙空间在发生什么。据科学家说，这次的引力波就是我们看不到的超级远的距离上，我们看不到的超级大的黑洞的变化引起的。如果你是《三体》迷，你就可以理解，如果在很远的星系一个文明被高阶文明炸掉了，我们能够第一时间通过引力波知道这个事情是多么重要。

来源：人民教育