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在弯曲的世界中探寻真理

2018-11-17  ggggkkkkg...

虫洞、黑洞、时间旅行、引力波,对于许多人而言,这些令人浮想联翩的概念,似乎只存在于文学和科幻小说作品之中,但它们其实是科学家热衷于研究的对象。当我们去探索这些奇异的概念时,就会发现它们并非凭空想象出来的,而是与一个物理理论有着紧密的联系。

1915年,爱因斯坦提出了一个全新的引力理论——广义相对论。它不仅解释了牛顿理论无法解释的现象,还作出了许多有悖于直觉的预言。从我们日常都在使用的GPS,到理解黑洞的形成,再到研究宇宙的演化,都离不开广义相对论。如果用一句话来总结该理论,那便是:物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动

在太阳的周围,空间是弯曲的。我们的宇宙被描绘成了一个二维的平面或膜,生活在一个高维的“超空间”,物理学家称之为“体”(bulk)。在现实中,我们的膜是三维的,而体是四维的。这样的一个体宇宙有可能存在吗?过去我们认为是不存在的,但1999年Lisa Randall却证明是有可能存在的。

在爱因斯坦提出广义相对论的50年后,一位年轻的博士生的宇宙观发生了改变,他意识到这个宇宙拥有着弯曲的一面,从此便为自己设定了人生目标:同时运用理论和观测来探寻弯曲的世界。这名年轻的博士生便是基普·索恩(Kip Thorne)。对,就是那位电影《星际穿越》的科学顾问,获得2017年诺贝尔物理学奖的基普·索恩。2018年11月4日,基普·索恩来到了腾讯WE大会,开启了雅努斯之门,分享他的探索之旅。

基普·索恩在腾讯WE大会分享关于虫洞、黑洞、时间旅行和引力波的故事。| 图片来源: 腾讯WE大会

时空的捷径

现在让我们大胆的试想一下,如果我们想要从太阳系航行到距离地球254万光年远的仙女座星系,该怎么做?以现代的科技而言,这简直就是天方夜谭。但是,广义相对论的核心方程(即爱因斯坦的场方程)的解为我们提供了一个时空捷径——虫洞

如果你在一张纸上分别画上太阳系和仙女座星系的话,只要把纸折起来,你就会发现在它们之间可以创造出一条仅有几公里的捷径。当虫洞被打开时,只需要几分钟便能穿越如此之远的距离,这是多么诱人的一个想法。基普·索恩把这样的一个设想从理论搬到了小说,再从小说搬到了荧幕。让观众也有机会感受理论物理学所带给我们的无限可能。

虫洞在土星和仙女座星系之间打开了一条捷径。| 图片来源:Pany/NPI

当然,一个不好的消息是,在现实宇宙中,虫洞即使真的存在也将是非常不稳定的,因为它在产生以后会短暂地打开,接着在极短的时间内就会关闭、消失。而且可以肯定地说,虫洞并不会在宇宙中自然产生,只能依靠高等文明去利用足够多的“奇异物质”,才有可能去创造和维持虫洞的存在。

这种奇异物质与我们所见过的任何物质都不一样,它的引力作用不仅会把虫洞的洞壁撑开,而且当光束通过时,还会将光线外推,使光束分离。这就意味着这些填满虫洞的奇异物质在光束(或者是某个以接近光速穿越虫洞的勇士)看来,必须具有能量密度(每立方厘米的能量)。这是什么意思?我们知道,引力是由质量产生的,而我们也听说过E=mc²,即质量与能量等价,也就是说,引力是由能量产生的。从光束的角度去计算就会发现,虫洞内的物质的平均能量密度只有在负值时,光束才会分散,虫洞才会打开。因此我们说这些物质是奇异的。

当然,有一个例外是,如果我们能够进入到非常小的尺度——10的负33次方厘米,或许就有可能找出一个虫洞。据我们所知,在这么小的区域内,存在着巨大的真空涨落,空间成了一堆“量子泡沫”。我们还不是很清楚在这个尺度下究竟会发生什么,这需要我们统一广义相对论和量子力学,找到一个所谓的量子引力理论,才能进一步指导我们前进。

引力怪兽

如果虫洞让你们觉得依然科幻味十足的话,那么在宇宙还有一个具有同样效果但更真实的存在——黑洞。在爱因斯坦提出广义相对论的不久后,物理学家就在理论上预言了黑洞的存在,它的基本构造包括了隐藏在一个事件视界内的奇点。所有的物体,一旦落入了事件视界就再也无法逃脱,这是一个有去无回的边界。

在宇宙中,当一颗质量足够大的恒星在耗尽燃料时,就会经历一场剧烈的爆炸,坍缩的核心最终会形成一个黑洞。除了这些恒星质量的黑洞,科学家认为在大部分星系的中心都包含着一个质量为太阳数百万甚至是数十亿倍超大质量黑洞,例如在银河系的中心,就有一个质量为400万倍太阳质量的黑洞。在一些星系中,这个超大质量黑洞的周围会形成一个由气体、尘埃和恒星碎片组成的吸积盘。当盘中的物质落入黑洞时,引力能会转化为光,使这些星系的中心非常明亮,因此它们也被称为活动星系核(AGN)。有一些AGN甚至会发射出以接近光速运动的相对论性喷流

索恩的背后显示了黑洞周围的吸积盘和双喷流,它们会辐射出大量的射电波、X-射线和可见光。| 图片来源: 腾讯WE大会

相比之下,在电影《星际穿越》中的黑洞卡冈都亚就没有那么“活跃”了,吸积盘的温度要比典型的AGN低很多,并且没有喷流。至少在黑洞事件视界望远镜(EHT)分析完它的数据之前,黑洞卡冈都亚是目前最接近黑洞的图像。

索恩的背后显示的正是事件视界望远镜(EHT),由全球的几大射电望远镜组成,其分辨率相当于地球大小的望远镜。2017年,EHT对银河系中心的黑洞进行了观测,现在正在分析数据的最后阶段,黑洞的第一张照片预计在2019年上半年公布。| 图片来源: 腾讯WE大会

时间之谜

由于黑洞的强大引力,有一个效应会变得特别明显。根据爱因斯坦关于时间弯曲的定律,任何事物总是倾向于停留在时间流逝最慢的地方,而且引力会将其拉向那个地方。

地球的质量会扭曲时间,而这个时间的弯曲会产生引力,因此才能将我们牢牢地束缚在地球之上。但实际上地球的引力是很微弱的。根据广义相对论,越靠近引力场,时间流逝得就越慢,这意味着你的头和脚感受到的时间流逝是不一样的,只是这个差别太小了,根本无法察觉。1976年,科学家把一台原子钟发射到了一万公里的高空。通过无线电信号,科学家对比了在卫星上的原子钟和地面上的时钟,结果发现,地面的时钟每天流逝得要慢30微秒。这个发现与爱因斯坦的时间弯曲理论在实验精度内完全一致。

飞船逐渐靠近黑洞,时间流逝的越来越慢(与地球相比)。| 图片来源:Pany/NPI

但是,如果靠近黑洞,强大的引力就会使时间显著变慢。假设有一个飞船逐渐靠近黑洞的事件视界(上图),你会发现,当靠近一定的距离时,飞船上的时间会比地球上流逝的慢一半。如果飞船非常勇敢,继续飞行,并最终靠近事件视界,时间在那里停止了。而在黑洞之内,它比停止还要慢,时间会流入黑洞之中。飞船最终会撞上黑洞的中心——奇点。在那里,广义相对论失效了,这是我们就需要量子引力理论来解释在奇点发生的事情。

时间会变慢,这是多么令人惊奇的发现啊!但是我们对于时间的探索还远未停止,有太多的谜题等待被解开。

时空的涟漪

虽然我们幻想中的时间旅行似乎遥不可及,但在地球上,我们总是能够看到发生在遥远过去的事情。大约13亿年前,两颗质量分别为29和36个太阳质量的黑洞不知以何种方式相互缠绕,慢慢靠近,最终合并成一个62个太阳质量的黑洞。在不到一秒的时间里,这次的合并将大约3倍的太阳质量转换成了引力波向外辐射,其峰值功率要比可观测宇宙中所有恒星释放出来的能量之和还高上几十倍!引力波以光速在空间中传播,如果它经过地球,那么它会对地球造成挤压和拉伸。

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当黑洞合并时会辐射出引力波。|图片来源: The SXS project

早在爱因斯坦提出广义相对论后,他就预言了引力波的存在。对于许多物理学家而言,寻找引力波是非常具有吸引力的。由于引力波是由弯曲的空间产生的,因此它是探索弯曲宇宙的理想工具。同时,物理学家都认为引力波将会对我们理解宇宙产生革命性的影响。但是,究竟如何才能探测引力波呢?

1972年,索恩提出了可以一个可能的设想。之后,他和罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)和雷纳·韦斯(Rainer Weiss)紧密合作,共同克服了探测引力波的许多技术上的难题。最终设计出了激光干涉引力波天文台(LIGO)。1994年,巴里·巴里什(Barry Barish)开始担任LIGO的项目主管,将一个只有40人的小团队扩展成了包含1200多名科学家的研究团队,最终才使引力波探测成为可能。

LIGO是一个L型的干涉仪,这个设备可以分离激光束,把两束激光往相互垂直的探测器臂传播。光束会在臂的末端反射回来。如果两臂的长度完全一样,那么激光通过的路程就会完全相同,因此他们再次相遇时就会彼此相消。但是如果引力波穿过时,探测器臂会被拉伸,那么两束光经过的路程不再相同,它们再次相遇时就不会完全相消,而是在探测器出产生一个信号。科学家的目的就是探测这一信号。

2015年9月14号,LIGO终于捕捉到了13亿年前的那次黑洞合并辐射出的引力波。之后又探测到了几次黑洞的合并事件。到了2017年,LIGO再创辉煌,探测到了由双子星合并辐射出的引力波。同时,这次的合并还释放出了大量的电磁波!这是第一次我们同时在同一事件中同时看到了引力波和电磁波。未来,我们也会利用太空干涉仪、脉冲星计时等观测手段去探测与脉冲星、超大质量黑洞合并等一些极端事件,从而进一步地揭开更多宇宙的秘密——例如宇宙的膨胀速度、中子星的内部、额外维度等等。此外,我们甚至有可能在原初引力波中找到关于宇宙暴胀(这是宇宙诞生后经历了一次指数式的膨胀)的线索。

就像电磁波一样,引力波也是由许多不同的物体以不同的频率所辐射出来的。像LIGO这样的地面干涉仪,只对一小部分的频率敏感,这就限制了它能够“看到”其他特定宇宙现象的能力。这张图显示了与每个引力波频率范围相关的源,以及不同频率所需的引力波探测器类型。| 图片来源:NASA/J. I.Thorpe

约400年前,伽利略用他自制的望远镜对准了太空,发现了围绕着木星的四颗卫星。三年前,LIGO第一次探测到了黑洞合并产生的引力波,为我们探索宇宙打开了新的窗口。现在,让我们自由地畅想在400年后,我们的宇宙观又将发生怎样天翻地覆的改变?

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