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时空弯曲的涟漪,让人们离宇宙真理更近?

原标题:时空弯曲的涟漪,让人们离宇宙真理更近?

文/观察未来科技

1916年,爱因斯坦发表论文,预测了引力波的存在;一个世纪后,2015年9月14日,位于美国华盛顿州和路易斯安那州的“先进LIGO”激光干涉仪首次探测到了黑洞合并事件,人类终于成功探测到的引力波信号GW150914。

两年后,2017年10月3日,由于在引力波领域的突出贡献,美国麻省理工学院雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、加州理工学院基普·索恩(Kip Thorne)和巴里·巴里什(Barry Barish)被授予2017年诺贝尔物理学奖。

刘慈欣的小说《朝闻道》中,掌握宇宙终极理论的外星文明“排险者”造访了地球,至于排险者如何得到这本终极真理,答案就是引力波。可以说,引力波的证实开启了一个全新的时代,如今,随着对于引力波研究的日渐深入,以光速传播扰动时空也让人们离宇宙真理更近。

时空弯曲的涟漪

引力波,来源于爱因斯坦的广义相对论。如果爱因斯坦的狭义相对论发现物质和能量是等价的,那么广义相对论则宣告运动中的物质决定了时空的形状。引力波的专业说法是:四维时空曲率的扰动以行进波的方式向外传递的一种方式,所以引力波更应该叫曲率波。简单来理解,引力波就是时空弯曲的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播。

如果说牛顿的理论是“质量告诉引力场如何形成,引力场告诉质量如何运动”,那么广义相对论则是“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动”。爱因斯坦之所以伟大,就在于他两次改变了人类对时间和空间的思维范式。第一次他告诉我们时空一体,同时相对,第二次则告诉我们时空是弯曲的。

至于时空为什么会弯曲,爱因斯坦认为,基于广义相对论,在非球对称的物质分布情况下,物质运动,或物质体系的质量分布发生变化,即物质分布改变时,时空也会相应变化,这一变化会以波动的形式以光速传播,即引力波。

比如,在一个平静的湖面上放一个皮球,皮球之下的水面就是一个弧形,这就叫物体质量引起时空弯曲;但此时湖面仍然是平静的,并没有什么水波出现。我们在旁边再放一个皮球,只要不动它,仍然没有水波出现。但如果两个皮球在湖面互相绕着转动,湖面就会产生水波向外传播——如果我们把湖面视作时空,那么,湖面产生的水波就是时空的波动,也就是引力波。

试想一下,在宇宙的某个地方,两个黑洞发生了碰撞。在碰撞发生前的最后几秒钟里,它们在引力作用下一起绕着最终接触点完成了数千次的旋转,使时空发生了剧烈振荡。碰撞之后,这两个黑洞合并到一起,形成了一个更大的黑洞。黑洞合并时,无数能量则以纯引力,也就是引力波的形式,不停地向四周传播,时空受到扰动而泛起涟漪——这种高强度的引力波,总有一天会传播到地球。

当然,根据广义相对论,引力波在传播过程中是不断衰减的,也就是时空一弯一曲地从黑洞合并处向外传播,刚开始弯曲扰动得特别厉害,但传得越远对时空的扰动就越小。假设合并的黑洞距离地球10亿光年,这也是为什么引力波到了地球就衰减得难以测量,对地球物体产生的变形也微乎其微的原因。

当引力波还在黑洞附近时,假设它们的强度为1,就是说,物体有多大,它就把物体拉伸或压缩多少。然而,到达地球时,引力波的强度将减小到约(1/30黑洞周长)/(波经过的距离)。对一个10亿光年远、10个太阳那么重的黑洞来说,引力波强度为(1/30)×(180千米的黑洞周长)/(到地球的10亿光年)≈10-21。因此,它使地球海洋发生的形变就为10-21×(107米的地球大小)=10-14米,仅仅是原子核直径的10倍。

想在地球汹涌的海洋上测量这么微小的潮汐是完全没有希望的。不过,通过周密设计的实验室仪器来测量引力波的潮汐力,还是有希望的——那就是引力波探测器,即利用光的干涉原理,观察引力波造成的干涉波形图样。在引力波的影响下,会出现微小的光波波形变化,这时光探测器就能感应到干涉条纹的变化。

从预言到断言

尽管爱因斯坦曾经预言引力波的存在,但爱因斯坦也曾经断言,人类不可能测得到引力波。这是因为在人类发现的自然界四种基本相互作用中,引力是最弱的一种,只有弱作用力的亿亿亿亿分之一。爱因斯坦广义相对论的其他预言在如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应在提出以后都陆续都获得证实,唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。

尽管探测任务艰巨,但人们并没有放弃探测引力波的存在。非常重要的早期工作之一由一类叫韦伯棒(Weber bars)的仪器完成。这类仪器的名字来源于马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber),它们由巨大的金属圆柱组成,大约1米宽,几米长。人们设想当引力波穿过地球时,它会导致圆柱振动,就像用木槌敲击铃铛一样。只有某种频率的引力波存在时才能引起圆柱振动。

当年用来探测引力波的韦伯棒精确度能达到10-15。虽然听上去十分灵敏,但还不足以探测到今天人们熟知的引力波。于是,在韦伯棒的基础上,研究人员开发出了另一种技术来探测引力波,那就是干涉法。1971年,约瑟夫·韦伯的学生罗伯特·弗尔沃德建成臂长8.5m的引力波干涉仪雏形,经过150小时的探测,遗憾的是,弗尔沃德也并未探测到引力波。

1984年,美国加州理工学院与麻省理工学院合作设计与建造了激光干涉引力波天文台(LIGO)。1999年,在美国路易斯安那州的利文斯顿(Livingston)与华盛顿州的汉福德(Hanford)分别建成相同的探测器,两地相距3000多千米,这样一来,就可以通过超级计算机比对两者采集到的数据,并通过算法来排除许多干扰信息。

2002年,LIGO正式进行第一次引力波探测,2010年结束数据搜集。在这段时间内,并未探测到引力波,但是整个团队获得了很多宝贵经验,探测灵敏度也有所改善。2010年至2015年,LIGO又经历了大幅度改良,升级后的探测器被称为“先进LIGO”(aLIGO),于2015年再次开启运作,终于在2015年9月14日与Virgo等引力波探测器合作成功探测到引力波。

格林尼治时间2015年9月14日9点50分45秒,位于路易斯安那州利文斯顿的LIGO引力波探测器的干涉仪中出现了震荡信号。这一信号只持续了0.2秒的时间,它导致干涉仪那条4千米长的悬臂伸缩了1/1000个质子大小的尺度。大约0.007秒后,位于华盛顿州汉福德的探测器收到了相似的信号。

这一信号激发了警报,操作这一实验的科学家们立刻毫无疑问地确信,他们探测到了穿过地球的引力波。自1916年至2015年首次直接探测到引力波,人类已寻找了它100年。2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日LIGO又先后三次探测到黑洞并合产生的引力波。

2017年10月16日,包括中国南京紫金山天文台和美国宇航局在内,全球数十家天文研究机构的科学家宣布人类第一次探测到双中子星并合引力波,并同时“看到”该宇宙事件发出的电磁信号。这是人类成功探测到的第一例双中子星引力波事件,也是人类首次窥见引力波源头的奥秘。

在虫洞中穿梭

引力波的成功探测让我们得以重新认识了宇宙。

引力波有两个非常重要而且比较独特的性质。一方面,引力波不需要任何的物质存在于其周围,这时就不会有电磁辐射产生。另一方面,引力波能够几乎不受阻挡地穿过行进途中的天体。比如,来自遥远恒星的光会被星际介质所遮挡,而引力波能够不受阻碍地穿过。

这两方面的特征使得引力波携带更多之前从未被观测过的天文信息。通过研究引力波,科学家们能够区分最初宇宙奇点所发生的事情。如果人类能够截获这些信息,我们或许就能够利用全新的手段来研究黑洞、中子星等各种天体,弄清发生在宇宙彼端的故事。而一旦寻找到合适的引力波,人们将能够为大爆炸理论和宇宙膨胀理论找到有利的证据。

通过引力波光学信号的观测和光谱分析,科学家们还可以分析元素的变化情况。比如,中子星并合是宇宙的“巨型黄金制造厂”,借助引力波探究中子星,人们就可以窥见金、银等超铁元素是如何在宇宙的“盛大焰火”中产生的。中子星的一次碰撞,抛出的碎块中形成的黄金足有300个地球那么重。

不仅如此,引力波的证实也为人们发现宇宙弯曲的一面开辟了道路。电影《星际穿越》讲述了一场人类经历黑洞、虫洞、奇点、引力异常和高维空间的冒险旅程。所有这些物理现象都源自于空间与时间的弯曲或与弯曲密切相关。

其中,虫洞就是宇宙中相距遥远的两点间的一条假想捷径。它有两个洞口,例如,一个在地球附近,另一个在26光年外织女星轨道附近。两个洞口通过超空间的隧道相联结(虫洞),可能只有1千米长。假如我们从地球附近的洞口走进隧道,只经过1千米,就到达另一洞口,出现在(从外面的宇宙看来)26光年远的织女星旁——虫洞就是时光机器。

实际上,虫洞不仅是科幻小说家凭空想象的东西,早在1916年,人们就在爱因斯坦场方程的解里发现它了。那时,爱因斯坦的场方程刚建立几个月。如果能够建造稳定的可穿越虫洞,那么,在未来无论人们的两端相隔多远,都能实现几乎实时的通信和旅行。如前所示,虫洞就是一条时空中的捷径,让我们可以从A地来到B地而不用穿越横亘在二者之间的空间。

然而,到目前为止,人类对时空弯曲还不甚了解,几乎没有相关的实验和观测数据。这也是为什么引力波尤其重要的原因:引力波源自于空间的弯曲,可以说,引力波就是探索宇宙弯曲的理想工具。

当前,我们正在迅速迈向一个发现引力波变得习以为常的时代。随着技术的发展,科学家也将发现更多有关引力波的新细节,并继续突破人们曾经以为的物理边界。返回搜狐,查看更多

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发布于:甘肃省
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