一篇文章 读懂刷屏的引力波

（原标题：一篇文章 读懂刷屏的引力波）

文/杨青山

看到围观群众纷纷不明觉厉，笔者朋友圈很多受过高等教育、拥有一流学历的人也在问同一个问题，不免感叹我们教育真的存在很大的问题。被习题和试卷禁锢的大脑，难以真正深入理解一个东西，没有热爱，创新又如何能萌芽？背诵课文不会萌生发现的喜悦，更不谈独立思考认知世界的快感。我们“权威”的教科书，我们以前“高高在上”的老师和教授，需要自省，甚至回炉。

第一个问题，爱因斯坦发现，光速不变，必然要求空间会“变”。

先普及一个常识，我们看见的太阳散发出来的刺眼的光，跟我们看不见的收音机、手机、卫星发射和接受的电磁波，其实是同一个东西。“可见的光”是频率在某个范围的电磁波。

近代研究电磁现象有一个重大发现，电磁波的传播速度是恒定的，也就是光速是一个固定的数值。无论是在火箭尾焰上出现的光，还是在一架列车上向外打手电筒，“光”这种东西居然不会因为处在运动状态下提高速度。

就是这么一个问题，别人都“习以为常”，却在爱因斯坦头脑中萦绕了多年。最后，他提出了一个大胆的假设，光速不变，是因为以光的视角看，它沿途经过的空间发生了折叠伸缩。

这是什么意思？当某个人要加速的时候，道路突然变长了，然后它到达某个地点的时间还是固定的。

第二个问题，引力是什么？

很多人对引力的课本记忆还停留在“重力”，重复了一千遍的“一颗苹果砸到牛顿脑袋上”的故事。

普通人对引力的理解，应该是“两个物体天生就有互相吸引靠近的力，叫做引力”。这要极需被纠正的常识，引力并不是一种“力”，它是一种属性，我们生存的宇宙空间（严格来说是时空，时间空间互相影响，不可分割）的一种几何特性。

一开始，我们认为空间是独立于任何东西存在的。就像一个空旷的舞台，没人的时候存在，有人的时候也存在，台上会有各种表演，或者堆满了各式“道具”，而无论上面发生了什么，都是表演者和道具的事，舞台不受影响；

理所当然，单纯依靠人类经验会认为，空间是我们栖身的地方，无论在地球还是在宇宙，“舞台”本身是永恒的独立存在。后来，科学家发现“舞台”并不是不受任何影响，“舞台”会因有质量物体的存在而“弯曲”。

空间会弯曲，而不是平整的？空间可以被“掰弯”，证据呢？

实验证据，日食观测

常识认为光线是沿直线传播的。光线发生“弯曲”，并不是光本身发生了弯曲，而是空间发生了弯曲，即光走的路是“弯”的。牛顿力学认为月球绕地球运转是因为月球受到地球引力的吸引，但广义相对论则认为是地球的质量扭曲了附近的时空，月球在弯曲时空以最自然的方式运行，走出了一条绕地球运转的曲线。就如火车沿铁轨运行一样，当铁轨变弯曲后，火车自然沿弯曲的铁轨运行。

1911年爱因斯坦预言，当恒星的光非常接近太阳时，因为太阳的引力将会有一个小小的偏离，并第一次提出这种恒星光线的弯曲是可以测量的。

1915年爱因斯坦的广义相对论发表，并计算出星光在穿过太阳附近时所产生的偏折角度为1.75角秒。光线在引力场中的弯曲，广义相对论计算的结果比牛顿理论正好大了1倍，爱丁顿和戴森的观测队利用1919年5月29日的日全食进行观测的结果，证实了广义相对论是正确的。

数学理论，支持我们的空间是可以被弯曲的

欧几里得的《几何原本》在构建经典时空时有五个倚靠直觉的公设：

由任意一点到任意一点可作直线。

一条有限直线可以继续延长。

以任意点为心及任意的距离可以画圆。

凡直角都相等。

同一平面内一条直线和另外两条直线相交，若在某一侧的两个内角的和小于两直角，则这两直线经无限延长后在这一侧相交。（平行线公设）

第五条定义平行线的公设有些拗口。很多人就想用着前四条更基本的直觉观念去证明第五条，结果罗巴切夫斯基和高斯先后发现，前人的证明多是错误的循环论证，平行线公设无法由前四条推理证明。

1820年代，俄国喀山大学教授罗巴切夫斯基在证明第五公设的过程中，他走了另一条路子。他提出了一个和欧氏平行公理相矛盾的命题，用它来代替第五公设，然后与欧氏几何的前四个公设结合成一个公理系统，展开一系列的推理。但是，在他极为细致深入的推理过程中，得出了一个又一个在直觉上匪夷所思，但在逻辑上毫无矛盾的命题。最后，罗巴切夫斯基得出两个重要的结论：

第一，第五公设不能被证明。

第二，在新的公理体系中展开的一连串推理，得到了一系列在逻辑上无矛盾的新的定理，并形成了新的理论。这个理论像欧氏几何一样是完善的、严密的几何学。

这种几何学被称为罗巴切夫斯基几何，简称罗氏几何。这是第一个被提出的非欧几何学。后来黎曼引入新的公设取代第五条平行定理，引出了黎曼几何（或称椭圆几何）。人们最终发现，欧式几何、罗氏几何、黎曼几何这三种几何学，都是常曲率空间中的几何学，分别对应曲率为0、负常数和正常数的情况。黎曼曲率等于1、-1和0的空间分别是黎曼球空间、罗巴切夫斯基空间和欧氏空间。欧氏空间可看作黎曼空间的特例。

黎曼统一了黎氏几何，罗氏几何，欧氏几何，并且预见，物质的存在可能造成空间的弯曲。为爱因斯坦的广义相对论准备了数学基础。

更到后来，人们还发现。

线的长短是一个几何问题吗？ 以洛仑兹变换和狭义相对论来看，线的长短是相对的，和速度有关，不是单纯的几何问题。

线的弯直是一个几何问题吗？ 按照人类经验，光线走两点之间最短路线，两点之间最短路线是直线，所以光线就是直线。 但是，实验证明，光线在引力场会弯曲，所以，直线的概念并不纯粹是几何问题，还和物质的性质有关。

普通人会惊讶，我们看到的、感受到的、理所当然认为的许多日常观念，漏洞百出。

第三个问题，引力波不是一般意义上的“波”，而是空间持续的扭曲震荡。

空间可以被扭曲，因为有质量物体的存在。那超大质量物体，可以把空间扭曲到什么程度？

黑洞这种理论预言存在的天体，可以把空间扭曲成一个“无底洞”，任何东西只要“掉进去”就再也出不来。

如果两个黑洞，互相旋转，持续不断扭曲周围的时空，就可以引发时空震荡。而时空震荡，就是新闻里说的引力波。

一句话解释，引力是空间“被掰弯”的程度，数学定义叫曲率，而弯曲的程度受物质质量的影响，两个超大质量的物体互相旋转，周围被弯曲的空间就会发生持续的拉伸和收缩震荡。今天刷屏的新闻，就是这种震荡传到地球，正好被精密的LIGO装置探测到。

到这里，不知道各位看懂了没。看懂了，就顺手转发考验考验小伙伴吧。

注：本文作者杨青山，文章首发于微信公众号【以色列创新】：zhongyichuangxin，这里有浪漫故事，真正的黑科技，以及最权威的以色列高科技公司数据库。