发现引力波:爱因斯坦又对了

2017-10-10 10:12:27  来源:亚洲城娱乐官网  编辑:

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  从前,有一个人着迷于引力现象。他的脑海中进行着有关宇宙飞船和电梯的思想实验。最终他得出结论,引力不是传统的“力”,而是时空弯曲的表现。他沉浸在微分几何的研究之中,而微分几何是一种可描述任意弯曲时空的复杂数学。最终,他得到了一种思考时空的新方法,以一个不可思议的方程量化出了引力与物质和能量如何彼此影响。

  他并没有停下思考的脚步,还利用自己的新理论得到了许多推论。其中之一是,引力的变化并不会立刻传到整个宇宙中,而是以引力波的形式传播出去,传播速度是光速。之后一段时间,他还曾对这个推论持质疑态度。不过最终,大多数的科学家都觉得这个推论很靠谱,值得检测一下。他们发起了一个雄心勃勃的计划,建立了一个在技术上堪称奇迹的探测器,可检测到引力波留下的淡淡痕迹。最终,在预言之后的100年,一个新闻发布会举行了。

  当然,这个人就是阿尔伯特·爱因斯坦。而那个于2016年2月11日举行的新闻发布会,其内容许多人都已经知道了:借助于LIGO,即激光干涉引力波天文台,人类直接探测到了引力波。

  研究人员表示,探测到的引力波是大约在13亿年前由两个中等质量的黑洞合并时产生的。这个引力波以光速向外传播,最终遇到地球。在2015年9月14日,LIGO的两个巨大的探测器捕捉到了这个引力波产生的信号。

  爱因斯坦的广义相对论告诉我们,引力是时空弯曲的表现。如果把时空想象成一张巨大的橡胶膜,那么有质量的物体就会让橡胶膜弯曲,这就像你踩在蹦床上,蹦床网面发生弯曲一样。质量越大,时空被弯曲得越厉害,引力就越强。太阳质量非常大,它会导致其周围的时空发生严重弯曲。若是地球想在太阳周围弯曲的时空里走直线,你会发现地球事实上是在绕圈。所以地球绕着太阳转,其实并没有什么力拉着地球,只不过是这里的时空发生了弯曲。

  如果你在蹦床上跑来跑去,那么网面可能会出现向四周传播的振动波。同样,有质量的物质进行加速运动时,可能会使得时空自身出现“涟漪”并向周围传播出去。于是,引力波随之而生。

发现引力波:爱因斯坦又对了

  事实上,任何有质量的东西都能产生引力波。如果我与你一起,彼此绕着圈来跳一支舞,我们也会产生时空的涟漪,但这个引力波太微不足道,根本无法探测到。因为引力是宇宙中所有作用力里最弱的一种,所以只有非常非常重的东西,以非常非常快地发生速度变化,我们才有能力检测到它们产生的引力波。其中一种能产生极强引力波的情况是两个黑洞或中子星发生合并前的最后阶段。

  LIGO探测到的引力波是两颗距离地球约13亿光年远的黑洞发生合并时产生的。其中一个黑洞约有36倍太阳质量,而另一个约有29倍太阳质量。这两个黑洞绕着彼此旋转了亿万年之久,然而随着时间的流逝,它们不断辐射出引力波并损失能量,它们之间的距离越来越近,旋转的速度也越来越快。当它们之间的距离只有几百千米的时候,它们的旋转速度甚至超过了光速的一半。此时,这两个黑洞猛烈地扭曲周围的时空,产生强大的引力波,并释放出巨大的能量。之后,在不到一秒钟的时间里,两个黑洞碰撞在了一起,合二为一,形成质量约为62倍太阳质量的新的黑洞。这意味着,有大约3个太阳质量的能量在不到1秒里转化为引力波的能量。在它们合并前最后20毫秒里,辐射出的引力波能量功率达到了约3.6×1049瓦特,大约是整个可观测宇宙中所有恒星光辐射总功率的50倍。合并而成的新黑洞会迅速平静下来,逐渐变为一个扁平球状的高速旋转的黑洞。它会在最后微微抖动几下,然后这里的时空再次恢复平静。

  引力波当然是看不见的。不过当引力波传过来时,它会在一个方向上拉伸,在另一个方向上挤压,这两个方向都垂直于引力波传播的方向。如果我们能检测到引力波引起的时空拉伸与挤压,那么我们就可以说检测到了引力波。

  但如果你我之间的时空拉伸或挤压了,仅拿着普通尺子测量你我之间的距离,是检测不出来拉伸或挤压现象的,因为尺子本身也被拉伸或挤压了。但是有一个尺子不会受到影响:利用光速的尺子。光在真空中的速度永远是个定值,那么如果两点间的距离被拉伸了,光就需要用更长的时间从这点跑到那点。而如果是被压缩了,光则需要较短的时间。而这就是LIGO实验的出发点。

  LIGO现在有两个探测器,一个位于美国路易斯安那州的列文斯顿,另一个位于美国华盛顿州的汉福德。它们相隔3000多千米——坐飞机大约需要3个半小时,不过对于引力波来说,只需要不到万分之一秒就能到达。每一个探测器都由两个约3.5米高的互成直角的混凝土管道构成,管道有4千米长,从高空看上去就像一个巨大的L。

  LIGO的探测器内,一束激光束会被分为两束,分别射向两个彼此垂直的管道里。激光束会被管道末端安装的镜子反射回来,并回到检测器里。在检测器里,一束激光的波峰正好与另一束激光的波谷相对。这样,两束激光再次合到一起时,可以彼此抵消对方,检测器检测不到光信号。而当有引力波通过时,两个管道的长度会发生改变——一个会被拉伸,那么另一个则被挤压。管道不断地被挤压和拉伸,交替变化,直到引力波完全通过。管道长度的变化使得两束返回的激光束的波峰与波谷时而相对,时而错位。这样,两束激光再次合到一起,不能彼此抵消对方,光信号出现,这就表明引力波被检测到了。

  然而,从13亿光年之外发出的引力波,到了地球这里,无论多强也会变得极为微弱。LIGO要想检测到引力波,其敏感度需要达到令人难以置信的高度——它需要在1千米的长度上找到质子直径千分之一的空间变化,或者说需要在太阳到比邻星(约4.22光年)的距离上测出小于头发丝宽度的距离变化。

  LIGO最终达到了这种敏感度,成为人类所建造的最为敏感的设备,而且对除了引力波以外的其他任何东西都不敏感。

  可想而知,达到这种程度的敏感是多么不容易。激光束穿过的管道需要处在一个近乎完美的真空之中,而将管道抽成真空就需要40多天。而且,还要消除掉外界环境对设备的影响。有许多意想不到事情都可能带来干扰,例如临近的海风、野外的狼叫、远处的雷电、经过的汽车、供电系统的不稳,甚至镜子中原子的不稳定等等。科学家们想出了各种各样的办法,来把每一个干扰都排除出去。例如说,反光镜子被挂在一个复杂的悬架系统上,这悬架系统可抵消掉地震或日常生活引起的地表抖动。

  另外,科学家们还建立了两个相隔3000多米的探测器,只有两边同时观测到一致的数据,才能说明问题。当然,还需要考虑许多其他上万个细节。例如,研究人员在调试系统时需要用清洁时所使用的工具,穿上全身覆盖的防护服,来防止任何皮肤细胞或灰尘落到精密的光学仪器上……

  LIGO探测器在2002年到2010年进行了运行,检测的结果是个干净的零蛋。之后探测器下线,开始了为期5年、耗资2亿多美元的升级。升级后的LIGO被称为先进LIGO,敏感度是原来的4倍多。先进LIGO准备于2015年9月18日开始正式运行,然而就在此前几天,LIGO还处在工程测试运行阶段,就检测到了那个历史性的信号。

  2015年9月13日,LIGO的研究人员忙了一整天,进行了一系列的测试工作。他们在第二天凌晨4点收工了,大家都开车回家,留下设备静静地采集数据。而在当地时间凌晨4点50分,那个远在13亿光年之外的两个黑洞合并时产生的引力波抵达了地球,以相隔7微秒的间隔先后通过了LIGO的两个探测器。

  在欧洲远程监控LIGO的科学家们首先注意到了信号的抵达。他们疯狂地给他们的美国同事发邮件。团队的其他成员都醒了过来,消息迅速蔓延开来。但是,几乎每个人都对此持怀疑态度,因为这个信号过于完美,与爱因斯坦理论预言的一模一样。

  他们首先想到的是这可能是一个“盲注”的结果。LIGO团队中成立了一个3人的秘密小组,专门负责“搞破坏”:他们可能会在观测数据中人为地注入假信号。这种被称为“盲注”的手段能使LIGO团队始终对数据保持警觉。但在这一次,没有任何人进行过“盲注”。于是,LIGO的研究人员开始分析这一探测结果的有效性。他们仔细观察各种仪器的输出数据,搞清楚每件设备是怎么设定和校准的,每一行软件代码都要分析,他们还把所有可能的环境干扰列了一个单子,来逐一排查。最后,他们才明白了他们真的检测到了引力波,其可信度高达99.99994%。

  2015年9月14日的发现,现在正式命名为GW150914。虽然LIGO得到的引力波信号只持续了大约0.2秒,但是科学家可以从中提取出许多令人惊讶的信息。他们分析出了这个引力波是由两个黑洞合并产生的,而且还分析出了黑洞的大概位置、质量、运动速度、黑洞边界相接触的时刻等各种信息。这个发现还是第一个表明双黑洞系统真实存在的观测证据。

  事实上,LIGO检测到了那个历史性的信号之后,还检测到了更多的引力波信号。尽管那些信号没有第一个信号那么强烈,但这能说明他们最开始的发现并不是一次偶然的疯狂事情。

  引力波的发现,验证了广义相对论最后一个未被实验直接证实的预言,爱因斯坦又预言对了。但这个发现的意义不止于此。

  之前,宇宙所有的知识几乎都是借助电磁波和观测粒子得来的。在400多年前,伽利略利用他自制的望远镜开启了用可见光了解宇宙的时代。从那时开始,科学家们不断提高观测水平,又学会了从无线电波段、微波波段、红外波段、紫外波段、X射线和伽马射线了解宇宙。科学家们还学会了通过分析宇宙射线和中微子了解宇宙。但是,大部分宇宙是黑暗的,我们无法用天文望远镜直接观测。而引力波是时空本身的涟漪,可以直接穿越黑暗,因此,它为我们了解这些事物提供了一个前所未有的方式。

  例如,通过这次检测到的引力波,科学家知道了两个黑洞合并的细节。LIGO还可观测中子星碰撞,或观测一个中子星被黑洞撕裂的过程等等。

  另外,LIGO还可以用来观察一种只在理论中出现过的物体。一些理论认为,早期宇宙会产生一种比一个原子还要细的线性结构,但它可以有好几光年长,而且物质密度十分高,几厘米就可重达1亿亿吨。这种线性结构叫做宇宙弦。这些宇宙弦总有会与自己或其他的宇宙弦打成结。打结时,结点会发生断裂,并辐射出一种特别形式的引力波。如果能探测到这种形式的引力波,我们就找到了宇宙弦的踪迹。

  所以说,引力波为我们了解宇宙开启了一扇新的窗户。这就像你的一生都曾失聪,直到有你的听力恢复了一样!你将可以用这个全新的方式聆听并探索这个世界。

  巧合的是,LIGO可以检测到的引力波的频率正好处在人耳听觉频率范围之内。9月14日检测到的引力波频率,在很短的时间里从35赫兹增大到250赫兹。如果把它转变为声音信号,那么它听起来像一个滑音。你可用你的手指从钢琴键盘的音快速滑动到中央C,就可重现这种声音。

  不同的天文学现象会发出它们自己特有的引力波。例如,双中子星听上去像短笛,孤立的脉冲星可能像三脚铁一样发出一个单频音,而黑洞则是乐团中的弦乐手。不过,LIGO只能听到小提琴和中提琴。那些超大质量黑洞所发出的引力波频率更低,这得需要未来其他的不同敏感度的引力波探测器来探究了。

  现在,许多引力波探测器已在筹备之中,有些已经开始了建设。而这次引力波的发现,肯定会掀起进一步研究引力波的热潮,引力波天文学的时代已经来临。借助引力波,我们可能会在不远的未来发现以前从未想象过的事物。

  从预测到现实

  ——寻找引力波的百年历史

  1915年:爱因斯坦提出了广义相对论,解释了引力其实是质量或能量引起的时空弯曲。

  1916年:爱因斯坦提出有质量的物质在某些加速运动的情况下会产生时空的涟漪——引力波。

  1936年:爱因斯坦在一篇论文初稿中认为引力波不应该存在。之后,他把这篇论文投到一家的物理学期刊时,审稿人指出了他论文的错误,爱因斯坦避免了一次乌龙。

  1962年:两位俄罗斯物理学家发表论文简述了用光学仪器检测引力波的方法,然而没人注意到他们的论文。

  1969年:美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯声称使用他的铝棒检测到了引力波,但后来的重复实验都一无所获。

  1972年:美国麻省理工学院的莱纳·魏斯独立提出了可以用光学方法来检测引力波。

  1974年:美国天文学家罗素·赫尔斯和泰勒·约瑟夫发现一对中子星会因辐射引力波而失去能量,并导致运动放缓,之后他们因此发现获得了诺贝尔奖。

  1975年:美国加州理工学院的基普·索恩认为魏斯的检测方法可行,他们开始筹备LIGO。

  1981年:美国加州理工学院已开始建造一个探测臂有40米长的原型,苏格兰物理学家罗纳德·德雷弗负责建设,并在建造过程中不断改进魏斯的设计。

  1990年:魏斯、索恩和德雷弗说服美国国家科学基金会资(NSF)来资助LIGO的建设。这个项目将要花费2.72亿美元。

  1992年:LIGO设施选址在华盛顿州和路易斯安那州,两年之后开始开工建设。

  1995年:位于德国的GEO600引力波探测器开始开工建设,并在2002年开始收集数据。

  1996年:位于意大利的VIRGO引力波探测器开始开工建设,并在2007年开始收集数据。

  2002~2010年:LIGO开始初次运行,但没有检测到任何引力波。

  2007年:LIGO团队与VIRGO团队同意共享数据,形成了一个全球性的引力波探测网络。

  2010~2015年:花了2.05亿美元对LIGO进行升级。

  2015年:先进LIGO在9月份开始运行,在测试运行阶段就检测到了引力波。

  2016年:2月11日,NSF和LIGO团队向外界宣布他们成功探测到了引力波。

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