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引力波是什么?为何直接探测到它值一座诺奖?一篇文带你看懂


来源:果壳网

原标题:引力波是什么?为何直接探测到它值一座诺奖?一篇文带你看懂 出品:科普中国  果壳网 作者:C

原标题:引力波是什么?为何直接探测到它值一座诺奖?一篇文带你看懂


作者:Calo

编辑:一个AI

就在刚刚,2017年诺贝尔奖物理学奖颁给LIGO科学合作组织的三位主要成员:雷纳·韦斯(Rainer Weiss), 巴里·巴瑞希(Barry Barish), 吉普·索恩(Kip Thorne) ,以表彰他们直接探测到了引力波。

——引力波是啥?发现它有什么用?为什么探测到它值一座诺奖?

来看看这篇史上解释引力波最清楚的文章吧——

十一长假,我们(除了跟果壳一起围观诺贝尔奖以外)做点啥好呢?

重温经典爱情片是个不错的选择↓


图片来源:《泰坦尼克号》

看着这一幕欢快的双人舞,我忍不住长叹一声:哎,你们从这一幕看出了什么?

完全入戏的朋友A:眼里唯有对方的纯真爱情。 重点跑偏的朋友B:转到最快撒手就神作了。 念物理系的朋友C:微不足道的引力波。

……



“哈?你在说神马?”
引力波是啥? 嗯…能吃吗?

杰克和露丝之所以会互相吸引,除了因为爱,还因为质量。在爱因斯坦的描述中,有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲,物体的质量越大,时空就扭曲得越厉害。

如果你将时空看成一张大橡胶膜,然后往上面放一个露丝,那么她的质量就会把橡胶膜往下压,在旁近放一个杰克,你可以看到这个景象:


由于请不起这俩明星,这里只好用钢球替代一下了。图片来源:apbiolghs/youtube.com

可以看到,露丝球和杰克球分别造成的时空弯曲,让他们俩逐渐滚向了对方并最终亲密接触(哪里不对)。当然了,被另一半问到“你为什么被我吸引”时,如果你回答“因为你重”,后果自负。

太阳和地球的关系也是一样道理,只不过太阳的比地球质量大得多,造成的时空扭曲也更大,所以看上去,地球在绕着太阳旋转——按照广义相对论的思路,“引力”只是时空扭曲必然带来的现象。


由于不敢请这俩星球,也只好用砝码和玻璃珠替代一下。图片来源:apbiolghs/youtube.com

那么,当有质量的杰克和有质量的露丝加速跳起转圈舞的时候,他们周围的时空会发生什么?


图片来源:Piled Higher and Deeper (PHD Comics)/youtube.com

起伏,震颤,波浪……你可以用各种各样的词形容你在上图看到的“时空扰动”。这种变化以波的形式向外传播,用听起来很厉害的说法讲,就是“引力波”,换文艺点的说法讲,就是“时空的涟漪”。

杰克和露丝跳舞所引起的那点涟漪更多只能被春心萌动的观众所感知,但质量巨大的系统,比如两个黑洞或两颗中子星快速相互绕转,它们产生的涟漪可就厉害了——像这种致密双星并合过程,所释放的能量,远超太阳一生释放的能量总和。而这么大的能量,通常会集中在最后一秒内爆发——那一刻,整个宇宙中所有别的天体释放功率的总和都及不上它,怕不怕!


两颗中子星的并合过程。图片来源:Our Universe Visualized
然而,显然,不能吃。
但是! 它能做的,超乎你的想象...

别伤心。尽管引力波不是什么好料理,但它却有着令人惊叹的能力和性质——拜托,人家可是能以光速传播时空扰动的诶!

如果一串引力波迎面通过你,那么变高变瘦对于你而言将不再是梦想。当然,变矮变胖也一样。在引力波的作用下,你会不断发生拉伸和压缩,你会先变高变瘦,再变矮变胖,再变高变瘦,再变矮变胖……像是这样:

图片来源:Markus Pössel of Einstein Online.

当然,真实的变形幅度并没有那么大(幸亏如此)。即便是致密双星并合时产生的引力波,除非你就站在引力波波源附近,否则引力波只会把你的身高改变一丁点——大约是一个氢原子的100亿分之一。

除了这种扭曲时空的能力,引力波还有一个特别令人着迷的特点——

高冷。

假设有一列引力波以平面波形式传播,那么它能在真空的宇宙空间中不带任何衰减地永远传递下去。只有碰到物质,比如半路迎来了一个你,它才可能会和你发生相互作用,而你能吸收一部分引力波携带的能量。

然而,这样的相互作用实在是少得可怜。即便你能在宇宙中堆满番茄酱,想要吸收掉1%的引力波能量,你的番茄酱墙需要大概 400万亿光年那么厚——可观测宇宙的尺度是1000亿光年左右,因此你需要4000个满是番茄酱的宇宙才能削弱引力波1%的能量。顺便提一下,这个过程需要花上400万亿年,而从现今的模型推测,我们的宇宙年龄在138亿年左右。


番茄酱:......我准备好了 图片来源:pinterest.com

也正因如此,引力波可以被用作窥探宇宙深处的工具。正如露丝的裙裾甩出的香水味可以透露她不属于三等舱,引力波也携带着关于波源的信息。如果人类能够截获这些信息,我们将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。

更重要的是,由于有几乎不衰减的特性,它能帮我们洞悉整个宇宙的源头——不是某段爱情,某种生物,某颗行星或者某个星系的起源,而是整个宇宙的起源。引力波的存在一经证实,我们将以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。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。


“同时那也将意味着我的预言又对了一个。”

想象一下在过去的所有时光,你对世界的理解都来源于道听途说,直到有一天,你能睁开双眼阅读关于宇宙的故事。对人类而言,获得探测引力波的能力,就相当于睁开了这样一双眼睛。

好,想象完毕。我们睁开这双眼了吗? 还没有。
直接探测引力波 太!难!了!

爱因斯坦预言引力波存在已经是100年前的事了,但直到现在,科学家们搜集到的引力波存在的证据依然只是间接的。毕竟,直接探测引力波太难了——将刚刚用身高打的比方换成技术要求,这意味着引力波探测器要能够检测到约10^-21量级的长度变化。

这,能办到吗?

能倒是能。

20世纪90年代,麻省理工学院的莱纳·魏斯(Rainer Weiss)想到了一个绝妙的点子:用激光的干涉来测量引力波。

简单来说,一束激光在经过一个半透镜后朝向两个互相垂直的方向前进,各自撞上一面反射镜,反射回来重新汇聚。理论上,只要反射镜与半透镜的距离精确一致,汇聚后的激光能够由于干涉而相互抵消。而一旦引力波经过,激光走过的距离被改变,干涉现象也会因此发生变化,从而被观测到。

这个点子后来受到了加州理工的著名引力学家基普·索恩(Kip S. Thorne)的关注(对,这老人家就是《星际穿越》的科学顾问兼制片人)。他发现在魏斯的方法上加些合理的改进,可能行得通。

于是,加州理工和麻省理工开展合作,主导了两个激光干涉引力波观测台(LIGO)的建设。LIGO呈现巨大的L形,每一边都有4千米长。


位于华盛顿州汉福德的一台LIGO。另一台LIGO在美国路易斯安那州的列文斯顿。图片来源:i2u2.org

正常情况下,LIGO发出的激光相互抵消,探测器将接收不到光信号;但如果引力波经过,情况就有所区别了:


无论时空如何变化,光速是不变的。如果激光跑过的路程被引力波拉长或者压短,激光通过该边的时长就会发生变化,从而影响探测器的结果。理论上,测量到了这些变化,科学家们就相当于测量到了引力波。

果然是好点子对吧?

除了一点——从在附近疾驰而过的汽车到极其微弱的地震活动,从仪器的轻微起伏到人为的信号改动,多得要命的各色因素都可以成为影响引力波测量的噪音。这就好比要在极端嘈杂的聚餐现在分辨出用牙签在杯子上敲出的莫尔斯密码一样艰难——这也是为什么要在相隔甚远的两地各设置一台LIGO,两边同时观测到一致的数据,才更能说明问题。

只是这样还不够。在LIGO和意大利的VIRGO引力波探测器进行联合观测前,一个3人的秘密小组成立,专门负责“搞破坏”:他们有可能会在观测数据中人为地注入信号。

由于,所有其他成员都对这一过程一无所知,这种被称为“盲注”的手段能有效防止LIGO摆乌龙。2010年9月16日,LIGO和VIRGO同时探测到一个信号,方向大概来自大犬座。这个代号为“大犬事件”的消息立即让LIGO科学合作组织大为振奋。大量的研究工作围绕大犬事件展开,论文有待发表,新闻稿箭在弦上。

然后,盲注3人组出来宣布对此信号负责:大犬事件的数据,是他们人为放出的假信号。


......这是在逗我?

尽管这种让全人类空欢喜的事情简直是欺骗感情消耗资源浪费时间,但这都是为了最大限度地保持小心谨慎。一旦LIGO宣布引力波的探测结果,将没有任何办法检验这一论断。所以,LIGO科学合作组织必须采取一切手段来确认结果的真实性。至今的所有失望,都是为了在真正抓住引力波的那一天能够足够自信。

那么,除却各方面的干扰,LIGO探测到真正的引力波的机会有多大?由于LIGO的设置所满足的测量要求仅能用于测量邻近星系里中子星或黑洞并合产生的引力波,它每年能遇见的引力波事件大概在1/10000件到1件之间。也就是说,在想方设法排除假信号之后,研究者还需要足够好的运气才能等到引力波的降临。

运气?对科学家来说,那种东西可没技术靠得住。在停止运行、升级许多新技术以后,更新的高新激光干涉引力波天文台(aLIGO)2015年正式投入运行。跟LIGO相比,aLIGO变得更加灵敏。在重新运行几个月后,LIGO科学合作组织有了新的消息——

我们检测到了引力波。我们做到了!!”

2016年2月,在美国国家科学基金会召开的发布会上,LIGO研究者公布了aLIGO在2015年9月发现了一个引力波信号。这个信号源自两个巨大的黑洞,他们经历了漫长的绕转,融合,通过引力波辐射能量,越转越近,最终并合形成更大的黑洞。经过10亿年的漫长旅行,这次并合产生的一小部分引力波信号抵达了地球。LIGO在15年9月14日探测到了,最终将它命名为GW150914。


图为英国的科学家们正在进行发布前的科普

朝闻道 夕死可矣

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。在那个世界里,寻找终极理论所必须的能量,将导致我们所在的宇宙毁灭;而为了多重宇宙的安全,他们又不能直接把终极理论的细节告诉人类。但是一位地球物理学家提出,可以绕过这个所谓的知识密封准则:


“ 你把宇宙的终极奥秘告诉我,然后毁灭我。

事就这样成了。他们用自己的生命,换取了短暂而永恒的领悟。

如果终极理论必将导致毁灭,那么排险者是如何得到它的呢?在小说中,答案就是引力波。上一个宇宙寻找终极理论的努力引发了真空衰变,但是在最后关头,他们将获取到的知识编码在引力波之中,发射了出去。排险者是我们宇宙中的第一个文明,也是唯一一个在引力波衰减到不可读之前破译了它的文明。

而现实中,站在排险者位置上的,也许其实是我们人类。

我们大概不会在真正的引力波里找到现成的终极理论。但是它所包含的信息,依然是创世的瞬间、黑洞的碰撞以及所有其他伟大的宇宙事件,甚至蕴含着引力的本质。而就像所有的信息一样,它不会永远存在下去。强大如LIGO的探测器,也只能探测到临近的中子星和黑洞碰撞产生的引力波蛛丝马迹;真正的宇宙历史性事件还在逐渐远去,引力波还在逐渐衰弱,宇宙还在逐渐膨胀,检测并理解它的难度只会越来越大。

引力波和物质之间的相互作用极度微弱,因此它的衰减也是极度缓慢的。可是,我们并不知道宇宙产生一个文明需要多久。刘慈欣在《三体》中用黑暗森林理论来解释费米悖论——为什么我们看不到外星人,但是现实中,有两个更加简单的可能解释:第一,智慧文明的诞生也许极端困难、极端罕见;第二,我们有可能是宇宙间第一批(甚至第一个)文明。

在这个意义上,我们也许将是最初和最后的人。宇宙并不在乎其间发生了什么,它自会按照自己的规律运行;而我们诞生在了一个幸运的时刻,或许能在不久的将来目睹终极理论的诞生,甚至可能将是唯一亲自见证这一瞬间的文明。宇宙最不可理解的事情在于它竟然是可以理解的,而倘若我们真的理解了它,那将何其有幸!朝闻道,夕死可矣;我们都将死去,但哪怕我们所创造的一切都将化为灰烬,我们依然能知道宇宙初生的那个黎明,和宇宙最终灭亡的那个夜晚。我们将凭知识超越时空——而现在,我们又在这条道路上迈出小小的一步。

让我们记住这三个名字,他们和他们的LIGO科学合作组织,带我们迈出的这一步:

雷纳·韦斯(Rainer Weiss)

巴里·巴瑞希(Barry Barish)

吉普·索恩(Kip Thorne)

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