查看原文
其他

"我一百年前就预言到了这历史性的一刻了哟" | 引力波被发现

2016-02-12 方格 新京报书评周刊

微信ID:ibookreview

『与499000智慧型微友同路同行』


按:欢迎你,地球人,来到引力波(gravitational wave)的时代,这是一个值得纪念的日子。


北京时间昨日深夜,一个重要的消息被宣布:人类首次直接探测到了引力波——13亿光年之外两个黑洞合并所产生的时空震荡,被地球上的两个探测器同时发现,自此,广义相对论在提出100周年之后得到了最直接的验证和最重要的肯定,宇宙的歌响起来了,生生死死,正唱给你听,我们终于听到了宇宙的声音。


引力波交响曲

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=k1303z1v23s&width=500&height=375&auto=0字幕翻译:与传统天文(观测的是光)不同,对于引力波——这种被爱因斯坦的广义相对论所预言的时空结构中的涟漪——最好的解释就是声音的一种。接下来的声音是模拟黑洞和中子星在合并时所产生的声音。短暂的啁啾声来自于双恒星级黑洞最后死亡时的呐喊(两个黑洞合并到一起时的声音),这个信号以后能够为LIGO干涉仪所探测到(书评君注:说的就是这次成功的探测啦!)。这个长而且低沉的声音来自于大质量黑洞,他们的声音能够被未来的太空干涉仪探测器LISA所探测到(当然如果依旧发射的话)。这些声音频率本来很低,现在被放大到了我们的音域范围之内。在不远的未来,我们应该能够探测到一些真实的引力波,到时我们就应该可以播放来自于宇宙的真实声音。


引力波,带人类倾听宇宙之歌

400年前,伽利略发明了第一台天文望远镜,他看见了月球的丘壑与木星的卫星,使人类能够亲眼见证宇宙,然而,通过光线,人类无法回溯时间的开端,无法瞥见宇宙创生的初刻。若想得见宇宙微波背景辐射之外的情景,我们只能依靠引力。而引力会在时空中激起涟漪,这就是我们所说的引力波。望远镜在此无能为力,对引力波的探测需要新型的仪器。


引力波最初只是阿尔伯特·爱因斯坦的一个理论构想,来源于方程式的推导,而非真实的实验观察。爱因斯坦最早提出了这一概念,并在他的广义相对论中预言了引力波的存在。他认为某些质量非常大、运动速度又非常快的物体,会对周围时空结构产生扰动,引力波就是时空扰动向外传递的微小涟漪。这种涟漪有多微小呢?他说,引力波小到永远无法被观测到。


“听说你们探测到了!”


在引力的世界中,我们的宇宙通常一片平静,直到北京时间2015年9月14日17点50分45秒。Bang!那一刻,在距离地球13亿光年之外,两个巨大黑洞发生了一次致命性的“亲密接触”,地球上LIGO(激光干涉引力波天文台)的两个探测器同时探测到了宇宙深处的这一场引力风暴!


这一场天外撞击事件,加上科学家精密到氢原子的百亿分之一级别的系统设计,让我们骄傲地走进了新时代。在这值得纪念的一天,我们与国家天文台研究员砺珺聊了聊引力波。(他也是《星际穿越》一书的译者噢,《星际穿越》的作者基普·索恩昨天还在发布会上发了言噢!)




引力波:

“时空自身的波动”


新京报:什么是引力波?


砺珺:既然称之为引力波,它必然与引力有关。所以,在进一步了解引力波之前,我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果,意识物体之间普遍存在的一种力,称之为“引力”,并且将其数学化,这就是我们熟知的万有引力。万有引力认识的精髓,是物体质量的存在导致了引力,这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。直到1905年狭义相对论发表,再到1915年广义相对论的发表,爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法:引力是因为质量对于时空造成了变形所导致,而非质量之间的吸引。这就意味着,时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以,简单地说,引力波就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波(或者电磁波),它仅仅在时空之中传播,时空是它的媒介。


人们常说“星辰大海”,如果将时空视作海洋,那么天体就如同海洋生物一般。可以想象,如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头,海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似,宇宙中某个天体的剧烈活动,会对所在的时空产生扰动,时空自身的波动也会向远处传播,如果足够强,就能够为地球上的我们所感知。


产生引力波的双黑洞合并:

“黑吃黑的火拼”


新京报:这次的波动有多强?我们完全没感觉啊……


砺珺:其实,此次发布会还有另外一个亮点,就是双黑洞的发现。这是人们首次发现直接发现双黑洞系统,两个黑洞的质量分别为26个和39个太阳质量,属于恒星级黑洞。或许你已经听腻了黑洞,生活中时不时的会听到某某黑洞爆发了,某某黑洞吞吃恒星了等等。但是这次的发现却有些不同,两个天体都是黑洞,互相绕转,最后合并。这听起来像是一场黑吃黑的火拼(真的是“黑”吃“黑”),甚至有点儿像香港电影里我们熟悉的火爆场面。黑洞合并产生了非常强烈的时空振荡,所以我们遥远的地球才观测到了。


两个大块头合并之后,形成了一个62太阳质量的黑洞。不对!怎么少了3个太阳质量?!其实,引力波也是携带能量的,所以在黑洞合并之时,它的形状是非常不对称的,在振荡恢复的过程当中,一部分质量通过引力波的方式辐射出去,从而为我们所接收。



双黑洞的合并产生了强烈的时空震荡——引力波


被引力波击中的话

“会变高变瘦,然后变胖变矮”


新京报:从预言到探测,物理学家等待引力波的到来已有一百年之久,为什么引力波这么难探测?


砺珺:主要原因是,相比较其他的几种力(强力、弱力、电磁力),引力是最弱的,相应的引力波效应也就很弱。想当初爱因斯坦在发表自己新的理论之后,就估算了引力波的强度。引力波的强度通常利用相对变形的大小来表示,结果往往是小的可怜,几乎无法探测到。引力波是时空的自身变形,在一个方向上被拉伸,在其垂直的另外一个方向上就会被压缩。如果我们有一天,我们被同样的双黑洞系统在合并时所产生的引力波(变化强度为1.0E-21)所击中的话,理论上来说,我们同样会经历一个稍微变高变瘦,然后变胖变矮一些的过程。实际上,对我们身高不超过2米的人类来说,导致的变化大约为2E-21,为一个氢原子的五百亿分之一(一个氢原子的大小大约为1.0E-10米)。


变高变瘦,然后变矮变胖


引力波的效应是如此之小,所以一方面需要增加探测的长度,来增强变化的效应,另外一方面通过巧妙的方法来探测到微小的变化。这也是此次新闻发布会中提到的激光干涉引力波天文台(LIGO)在建造之初所考虑的。它有两个观测点,分别建在美国华盛顿州的列文斯顿和路易斯安那州的汉福德。每个观测点都有两个互相垂直,每条长达4公里的臂。长臂中间是高度真空的管子,而在长臂两端,悬挂着大约直径34厘米、重达40kg的反射镜。LIGO的探测器利用激光干涉技术,不间断地测量每对发射镜之间的距离。每当引力波通过探测器时,人们会探测到两对发射镜之间的距离呈现此消彼长的周期性变化。


LIGO的两个天文台相距3000公里,通过探测信号的时间差,我们就可以知道引力波的传播速度。如果以光速传播,那么时间差将会是10个毫秒量级,这和观测结果一致,从而确认了引力波的传播速度为光速。


即使对于LIGO天文台4公里的长臂,引力波所造成的变化也是极其微小的。对于两个10个太阳质量的双黑洞合并,其可能产生的尺度相对变化最高可为1E-21,意味着4公里的长度也仅仅只变化了一个氢原子直径的2.5千万分之一。为了达到这个精度,LIGO的科学家做了许多精密的设计,保证探测系统的稳定,保证LIGO反射镜的位置随机涨落小于一个氢原子大小的百亿分之一,从而保证可以相对比较容易的探测到可能的引力波源。



LIGO天文台所探测到的引力波


广义相对论的胜利!

“引力波是一种全新的看待世界的方式”


新京报:探测到引力波,对人类而言意味着什么?


砺珺:毫无疑问引力波是对广义相对论的一个最直接的验证。另外它在弱场中已经得到验证,但是对于强引力之下的验证,之前却从来没有验证过。所以此次的观测,是对广义相对论的一个非常好的检验。


引力波以光速传播,它与物质的相互作用非常非常的弱,所以引力波可以给我们提供我们宇宙几乎无阻挡的图景,而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如,利用引力波,我们可以看到宇宙的最早期,宇宙大爆炸之后的1E-36秒开始的宇宙形成过程。而对于电磁波而言,它最早只能看到大爆炸后的大约300,000年之后的宇宙历史,在此之前,电磁波是不能给我们提供的。所以引力波是我们了解我们宇宙形成的最好工具。


如果你还记得,在《星际穿越》电影中的结尾之时,主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中,为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲,人为制造引力波效应,成功将信息传递,从而使人类得以解救。从目前物理学家的认识来看,引力波是唯一一种可以在不同维度传播的波。不同宇宙之间的碰撞,会产生引力波。说不定,在不远的将来,我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。


一个天生的聋哑人,一直在听别人描述声音的存在,突然有一天,他的听力恢复,第一次听见了声音——我想,我们此刻的心情也是差不多如此。引力波为我们打开了一扇全新的窗口,引力波是一种看待世界的方式。历史的发现轨迹告诉我们,每一扇新的窗口被打开,都会有令人称奇的发现。虽然LIGO的探测能力还是有限,一旦这个引力波的世界被撬开了一道小的裂缝,让我们看到了春天的种子,相信硕果累累的引力波丰收季节也不会太远。


本文为原创稿件,采写:方格,编辑:禽禽,未经授权不得转载。


挺一下坚持原创的书评君


点击以下 关键词 查看精彩内容

年度好书 | 四月好书 | 红镜头 | 聂隐娘 | 同性恋群像 | 马克·吐温 | 康夏 | 权力的游戏 | 小王子 | 孤独图书馆 | 黄家驹 | 腋毛禁忌 |二十四节气 | 伍迪·艾伦 | 夏日翻书 | 禁烟令 | 玛丽莲·梦露


如果你爱文学、爱艺术、爱科学,

就请快到书评君的碗里来。

入口在左下角“阅读原文”哟。

您可能也对以下帖子感兴趣

文章有问题?点此查看未经处理的缓存