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这是物理学家李淼写给孩子们的关于相对论的普及读物。爱因斯坦创立的相对论是一个描述时空和引力的科学理论，对于大部分普通人来说并不容易理解。本书作者采用讲故事的方式，把引力波探测与引力、时空、光速等概念做了生动诠释，使孩子也可以了解相对论的主要观点。深入浅出，通俗易懂，是一本不可多得的科普读物。
书摘爱因斯坦的相对论是科学史上的瑰宝，它推动了20世纪的科技革命，改变了我们对时间、空间、物质、运动等的认知，它一系列梦幻般的预言也一一应验，包括近年来被探测到的引力波。在这一章中，淼叔以讲故事的方式，告诉孩子们有关引力波的科学探索。
第一讲引力波是怎么探测到的
年10月3日，年诺贝尔物理学奖尘埃落定。它被颁给了美国物理学家雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什，以表彰他们领导建设激光干涉仪引力波天文台（简称LIGO），进而首次直接探测到引力波的伟大成就。
事实上，爱因斯坦于年就提出了广义相对论，这是他一生中提出的最伟大的理论，我在后面会详细为你介绍。仅仅在一年之后，也就是年，他就用这个理论预言了引力波的存在。但直到整整年后，也就是年，人们才能真正地探测到它。你看，是不是很奇怪？众所周知，20世纪科技发展日新月异。那为什么要花整整年，才能揭开引力波的神秘面纱？这节课，我就来为你解答其中的奥秘。
首先，我来讲讲什么是引力波。让我们做个思想实验。想象一个很大的池塘，里面有非常平静的水面。如果往这个池塘里扔一颗小石子，原本平静的水面立刻会泛起波纹，或者说涟漪。这些涟漪会一圈圈地向外扩散，从而让整个池塘的水面都随之波动。如果原来的水面上还漂浮着一艘小木船，那它就会随水波而上下起伏。
现在，把这个池塘的水面想象成时空本身，也就是时间和空间的总称。
广义相对论认为，有质量的物体可以让时空本身发生弯曲。而当有质量的物体发生剧烈运动的时候，它就可以像那颗小石子一样，让时空本身也泛起涟漪。这些涟漪同样会向外传播，从而让远方的物体也随之起伏。这种时空的涟漪就是引力波。
那要是引力波传到地球，会造成什么影响呢？答案是，它会使与其传播方向垂直的空间发生周期性的形变。换句话说，当引力波经过的时候，与之垂直的空间会不断地收缩或扩张：横向收缩，纵向就扩张；横向扩张，纵向就收缩。由于空间本身在形变，置身于其中的物体自然也会跟着形变。也就是说，当引力波传来的时候，小到一把尺子，大到整个地球，都会发生周期性的伸缩。
可能有些小朋友会担心：“要是引力波传来的时候，把我们拉坏了该怎么办？”你完全没有担心的必要。这是因为引力波使物体发生形变的比例特别小。到底小到什么地步呢？大概只有十万亿亿分之一。打个比方：如果你的尺子长达0千米，也就是从北京到上海的直线距离，那引力波大概能使它变动一千万亿分之一米，相当于一个原子核的直径。如果你的尺子长达10万光年，也就是我们银河系的直径长度，那引力波大概能使它变动1米。
其实，这正是科学家要花整整年才能探测到引力波的原因：因为它实在太微弱、太难测了。事实上，就连爱因斯坦本人都不相信人类能测到引力波。更夸张的是，他甚至一度想要否定引力波的存在。下面，我就来讲讲这段有趣的往事。
年，爱因斯坦与内森·罗森合写了一篇科研论文。在这篇名为《引力波存在吗？》的文章中，爱因斯坦和罗森公然宣称引力波其实根本不存在。这篇论文被投给了著名物理学期刊《物理评论》。
爱因斯坦
在此之前，爱因斯坦给《物理评论》投过好几篇论文。由于爱因斯坦的赫赫威名，这些论文都没送给审稿人去评判，就直接被接受发表了。但这一次，《物理评论》的主编约翰·泰特却没有为这篇论文开绿灯，而把它送到了普林斯顿大学教授霍华德·罗伯逊的手里。
罗伯逊是一个相当有名的宇宙学家，对广义相对论特别有研究。他发现这篇论文的结论是错的，所以就要求爱因斯坦他们对此文进行修改。罗伯逊把他的审稿意见寄给了泰特，而泰特又把这份匿名的审稿意见转寄给了爱因斯坦。
罗伯逊
在爱因斯坦大部分的学术生涯中，根本没有现在普遍实行的匿名审稿制度；而他以前写的那些科研论文，也都是投过去就直接发表了。所以爱因斯坦收到这份审稿意见后怒不可遏，立刻给《物理评论》寄去一封撤稿信。在这封撤稿信中，爱因斯坦特别霸气地写道：“我们投稿是为了发表，并没有授权你在发表之前让其他专家过目。我认为没必要回复那个匿名专家肯定错误的意见。基于这种情况，我宁愿把论文发表在其他地方。”
顺便说一句。从此以后，爱因斯坦就再也没向《物理评论》投过任何稿件。
爱因斯坦随后把那篇有问题的论文投给了另一家学术期刊。但刚投出去没多久，尴尬的事情就来了。匿名审稿人罗伯逊跑到普林斯顿高等研究院去访问，并且当面向爱因斯坦指出了论文中的错误。发现自己弄错了的爱因斯坦顿时冷汗直流。他赶紧联系第二家杂志，对那篇文章做了大幅度的修改，删掉了以前的引力波不存在的结论，并把论文题目改成了不痛不痒的“关于引力波”。
所以说，爱因斯坦还是很受上天眷顾的。如果泰特当初给他开了绿灯，或者罗伯逊畏惧他的权威而不敢对他提出批评，那么这篇否定引力波存在的错误论文就会发表在《物理评论》上。如此一来，爱因斯坦于年用广义相对论预言引力波存在的历史功绩，就会大打折扣了。
不喜欢引力波的物理学家远远不止爱因斯坦一人。事实上，在提出引力波后整整40年的时间里，也没有一个物理学家想去探测它。大家都想当然地认为，像引力波这么微弱的效应，永远也不可能被测到。但20世纪50年代，一个人的出现让这种一潭死水的状况发生了改变。他就是美国物理学家、引力波探测的先驱约瑟夫·韦伯。
韦伯的人生经历相当传奇。第二次世界大战期间，他在美国海军服役。日军轰炸珍珠港的时候，他恰好是一艘美国军舰的军官，并眼睁睁地看着自己的军舰被日军击沉。后来在太平洋海战中，韦伯实现了自己的复仇，他率领的一艘军舰击沉了日本人的一艘航母。“二战”后期，他转行做科研，在美国海军局做研究。年，韦伯以少校的身份退役，然后成了马里兰大学的一名工程学教授。
韦伯当上教授的时候并没有获得过博士学位，这其实是不合规定的。所以系主任就向他施压，要他赶快拿一个博士学位。因此在年至年期间，他过得很辛苦，既要在马里兰大学当教授，又要在美国天主教大学读博士。年，韦伯顺利地拿到了他的博士学位。顺便说一句，在攻读博士学位期间，他对激光科学做出了很大的贡献。
年，韦伯突然对广义相对论产生了极大的兴趣。利用自己的学术休假年，韦伯跑到了普林斯顿高等研究院，向著名物理学家约翰·惠勒学习广义相对论。正是在这段时期，韦伯突然认识到，引力波是有可能被探测到的。
下面我就给大家讲讲韦伯是怎么探测引力波的。下面的图就是韦伯用来探测引力波的实验装置，名叫“韦伯棒”。
韦伯棒是一个直径为1米、长度为2米的圆柱形铝棒。当引力波传来时，铝棒的两端会交错地被挤压和拉伸。我们前面说过，正常情况下铝棒的伸缩比例特别小，以至于根本无法测量。但韦伯发现，在一个特殊的情况下，铝棒的伸缩比例能显著地增大。这种特殊情况就是共振。
我来解释一下什么叫共振。大家知道，外力能迫使物体发生振动。比如说，你用力推一个秋千，就能让它来回摆动。如果这种外力的频率恰好与振动物体本身的频率相等，就会使振动的幅度大幅增加。这种现象就是共振。举个例子。19世纪初，有一队法国士兵迈着整齐划一的步伐，走上了法国昂热市的一座大桥。他们走到一半的时候，大桥却突然断裂，使许多官兵和市民落入水中丧生。后来发现，这次惨剧的罪魁祸首就是共振。
这是由于这队士兵齐步走的频率，恰好与大桥本身的频率相等，导致大桥的振动幅度急剧增加，最终造成了大桥的断裂。
韦伯认为，可以利用共振现象来探测引力波。韦伯棒自身的频率大概是赫兹。如果远处传来的引力波的频率也是赫兹，就可以使韦伯棒发生共振，从而使它的伸缩幅度大幅增加，进而被安装在韦伯棒周围的探测器检测到。
为了提升韦伯棒的探测能力，韦伯想了不少办法。比如说，他用细细的铁丝将韦伯棒悬挂起来，从而减小了振动时韦伯棒的能量损失。更重要的是，为了避免地震等意外因素的干扰，韦伯在两个相距上千千米的地方放置了两个完全相同的韦伯棒，只有当两个探测器同时探测到一模一样的引力波信号时，才能说明韦伯棒探测到了引力波。
年，韦伯在著名的物理学期刊《物理评论快报》上发表了一篇文章，宣称他用韦伯棒探测到了引力波。韦伯的文章立刻在全球范围内引起了巨大的轰动。世界各国的科学家都陆续建造出类似韦伯棒的实验装置，并加入了探测引力波的行列。
书评娓娓道来的物理知识让科学不再神秘
爱因斯坦的相对论是科学史上的瑰宝，它推动了20世纪的科技革命，给我们的世界带来了翻天覆地的变化。它改变了我们对时间、空间、物质、运动等的认知，它一系列梦幻般的预言一一应验，包括近年来被探测到的引力波。在本书中，淼叔从这一举世瞩目的事件讲起，将引力、时空、光速等不易理解的概念，用故事的方式讲给孩子。相对论对大学生来说都是略为艰深的内容，但淼叔通过“引力波是怎么探测到的”“光速是怎么影响时空的”“引力是怎么产生的”“相对论都有什么用”这样几个问题，带我们饶有兴味地走进相对论揭示给我们的奇妙世界，让我们得以了解这一人类文明的至高成就。
淼叔认为，最重要的不是掌握知识，而是帮孩子们开脑洞、拓眼界，尽量用浅显的方式引起大家的兴趣，让他们乐意自行学习和探索。所以他将深奥的理论化成易懂的道理和有趣的故事，配合原创精美插画和大量珍贵科学图片，让小读者能够接触到最前沿的物理学理论知识和技术进展。本书也得到了著名科幻作家刘慈欣、清华大学教授吴国盛的诚挚推荐。
近年来活跃于网络、广为大众熟知的著名物理学家李淼教授毕业于北京大学天体物理专业，曾赴丹麦哥本哈根大学玻尔研究所学习并获博士学位，先后在美国加州大学圣塔芭芭拉分校、布朗大学、芝加哥大学任教，回国后任中国科学院理论物理所研究员，年则到中山大学创建天文与空间科学研究院并任院长。他在超弦理论中的研究具有国际影响。
李淼教授近年来将重心放在科普，尤其是少儿科普上。他的“给孩子的物理学”系列，充分体现了他“只要方法得当，没有什么不能讲给孩子”的科普理念。而《给孩子讲量子力学》《给孩子讲宇宙》也因此受到孩子和家长的广泛欢迎，常年高踞各大科普畅销榜，也受到众多奖项青睐。其中《给孩子讲量子力学》入选了年国家新闻出版广电总局“向全国青少年推荐百种优秀图书”，被评为深圳读书月“年度十大童书”，年中国童书榜“年度优秀图书”等；《给孩子讲宇宙》也被中国出版协会评为“年度中国30本好书”。相信“给孩子的物理学”系列会成为少儿科普领域的经典。
这本新书《给孩子讲相对论》上市之日，既是爱因斯坦诞辰，又恰逢霍金去世。两代大科学家，似乎在用他们的生命提醒我们勿忘知识的传承。而巧合的是，这个系列的下一本书一早就计划以霍金的《时间简史》为主题。将霍金的伟大理论传递给更多的小读者，或许正是对他最好的缅怀吧。
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