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(1)引力波,广义相对论的最后一块“拼图”

2016-02-13  叶荣欣个...

引力波,广义相对论的最后一块“拼图”美国国家科学基金宣布发现引力波现场。

不少沉浸在春节假日欢快氛围中的人们,这两天都被一条重磅科学发现所吸引。美国科学家11日宣布,他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次直接探测到引力波,这是人类第一次能够“听”到宇宙的“声音”,并证实了爱因斯坦在100年前所做的预测。

 

一、引力波是什么?

1.牛顿的描述

牛顿认为,月球之所以会绕地球运转,是它们之间存在引力的缘故。这引力像绳子那样一头拴着月亮,一头系着地球。任何两个物体之间都存在引力,所以牛顿给出了万有引力定律。当然,万有引力是无形的,看不见摸不着,却如一条条铁链拴住世间万物。

2.爱因斯坦的观点

牛顿以来的科学家都认为光线是直线传播的,但在实际的观察中发现,从遥远的星球过来的星光经过太阳附近时会发生弯曲。爱因斯坦认为,要解决观测与理论间的矛盾,只能假设太阳周围的空间是弯曲的,这样光线在其中通过时,其路径也弯曲起来。于是他提出了广义相对论,用弯曲空间来讨论万有引力的作用:每个有质量的物体周围都会出现时空的“弯曲”。这种弯曲就像在一层橡胶膜上放一颗铁球产生的凹陷一样。这时放在膜上的物体就要顺势滑向铁球。如果不滑向铁球,唯一的办法就是在凹陷的膜上转动。想象一下在漏斗侧壁上滚动的小球,只要它的速度合适,就不会落入漏斗中。同样,包括地球在内的行星都以恰到好处的速度绕太阳转动,因此不会被太阳这个“引力漏斗”吸入。

引力波,广义相对论的最后一块“拼图”光线在引力下弯曲

爱因斯坦的广义相对论论证的一个重点就是,引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年,爱因斯坦在广义相对论框架下发表论文,论证了引力的作用以波动的形式传播。这就是引力波的由来。

引力波就像时空结构中的涟漪,如果把空间想象成一块巨大的橡胶膜,那些有质量的物体就会让橡胶膜弯曲,就像我们站在蹦床上时引起床垫变形一样。质量越大,空间被弯曲得越厉害。

引力波,广义相对论的最后一块“拼图”引力波示意图

只要有质量的物体加速,改变了空间形状,引力波就产生了,你可以想象湖面的涟漪。当高密度、大质量的物体在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它们会在时空的垫子上泛起涟漪。这些波纹携带着大质量物体的引力辐射,在广阔的宇宙中传播。激光干涉引力波观测站的存在就是为了捕捉这种微弱的波动。

 

二、为什么要寻找引力波?

理由之一:它将验证1916年爱因斯坦提出的广义相对论。100年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。引力波被证实存在,意味着时空确实是可以扭曲的,爱因斯坦广义相对论的最后一块“拼图”找齐了。

理由之二:广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中,这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波,就可以揭开宇宙的各种谜团,甚至了解整个宇宙的起源和运行机制。

理由之三:引力波是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹。在宇宙中,强引力场天体非常之多,比如超大质量黑洞合并,脉冲星自转、超新星爆发等都是引力波的强有力来源。找到引力波就意味着打开了全新的宇宙观察视野:可以为我们展示引力的最强状态,比如黑洞;能够让我们看到物质密度最大时的样子,比如中子星;还能揭示出星系大爆炸的新信息,比如超新星爆发,黑洞和中子星的融合。

 

三、如何探测引力波?

引力波无法通过电磁辐射直接观测,其与宇宙中物质的相互作用也极为微弱,因而连爱因斯坦都认为引力波在任何能想象的情况下都可以忽略,是很难测量的,探测引力波在很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。。但今天的科学家们依然对此充满着好奇,希望能够找到引力波,不上广义相对论缺少的这块“拼图”。

引力波,广义相对论的最后一块“拼图”位于华盛顿州汉福德的干涉仪

上世界90年代初,美国物理学家Rainer·Weiss领导的LIGO项目得到了美国国家科学基金的资助,在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造一个干涉仪,呈现L型排列,利用迈克耳逊干涉仪原理进行测量引力波。

引力波,广义相对论的最后一块“拼图”位于路易斯安那州的干涉仪

L型测量臂很长,达到4公里,两个测量臂垂直排列,两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射,如果干涉条纹发生了变化,就说明探测到了引力波事件。2005年之后,激光干涉引力波天文台再次进行了升级,使用更高功率的激光器和避震措施,降低误差。

探测引力波需要探测器具有极高的灵敏度,还需区分开来引力波信号和环境或仪器噪声。10多个国家超过1000名科学家参与了这个搜寻引力波的项目。

 

四、等待了50年的新发现

2015914日北京时间175045秒,位于利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了后来被命名为GW150914的引力波信号。LIGO项目的科学家们花了几个月的时间进行验证,最终确认探测到的就是引力波信号,并于2016211日正式公布。

这个信号来自双黑洞系统的合并。在两个黑洞相互接近绕转的过程中,会不断朝外辐射引力波,而引力波的辐射会把两个黑洞之间的引力势能降低,所以两个黑洞的距离会变小。随着两个黑洞的距离变小,它们之间相互绕转的频率会变得更快,最终两个黑洞碰撞并合在了一起,这一过程会放出大量的引力波能量。

引力波,广义相对论的最后一块“拼图”两个正在旋转合并的黑洞模拟图

这一辐射的能量有多大,可通过爱因斯坦著名的质能方程E=MC2加以计算。两个黑洞的质量分别是36个太阳质量和29个太阳质量,其中引力波辐射损失的质量大约为3个太阳质量。3个太阳质量的物体变成了能量,相当于数以亿亿亿亿计的原子弹同时爆炸,其威力相当惊人,整个空间都在颤动。这一颤动也在13亿年后传到了地球——这就是目前LIGO探测到的引力波。

简而言之就是,3个太阳的质量,变成能量被引力波带走了,传播速度跟光速一致。这是人类第一次探测到引力波,也是人类第一次探测到双黑洞合并。

在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件中,4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离,以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动,被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出,让人类第一次“近距离的接触”了黑洞,观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。

引力波,广义相对论的最后一块“拼图”激光干涉引力波观测站两个干涉仪收到的引力波信号数据波形

引力波探测的成功,为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。可以预计,未来更多的双黑洞时间,会让我们更清晰地了解黑洞附近的时空几何,更令人期待的是,一些未知源的引力波也可能被探测到。

还是那句话,我们所知道的仅仅是冰山一角,还有很多未知的世界等待着我们去发现。科学研究才刚刚开始,好戏还在后头呢。

 

 

 

 

 

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