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引力波:一个凄美的宇宙故事
2017-10-10 20:41 作者:神人无功 来源:法治周末

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瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予3位引力波探测计划的重要科学家,从左至右依次为:莱纳·魏斯、巴里·巴里什、基普·索恩。  资料图

 

神人无功

基普·索恩终于笑到了最后。

2017103日,瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予3位引力波探测计划的重要科学家——莱纳·魏斯、巴里·巴里什和基普·索恩。

诺贝尔物理学奖评选委员会成员奥尔加·伯特纳说,宇宙中曾有两个黑洞发生碰撞,所产生的引力波跨越漫长时空,历时13亿年抵达地球,在2015914日被位于美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)探测器探测到,这是人类历史上首次发现引力波。

 

寂静的引力波

 

从小就听过“牛顿苹果”的故事:一只掉下的苹果引起牛顿的遐思:苹果为什么不是飞上天而掉下地?结论:物体与物体之间必然存在着一种相互吸引的“力”——“万有引力”。

1915年,爱因斯坦发明的广义相对论则对引力现象做了一个几何化的全新诠释:空间并不是如牛顿所说的是供物体运动的一个“空箱子”,而是物体辐射出的一个“场”。如果是一个“空箱子”的话,空间就是平直的;而作为一个场,空间是会弯曲的,物体质量越大,它周围的空间就弯曲的越厉害(曲率越大)

比如,地球的运动,如果没有太阳,它就会像一个在一张平坦的网上滚动的小球,按牛顿第一定律作匀速直线运动(假设没有摩擦力等所有外力)。这时在地球边上放上质量比地球大得多的太阳,太阳就会在网上压出一个凹陷的坑。这时地球尽管依然按原先的惯性作匀速直线运动,但由于受弯曲了的网(空间)约束,就变成沿着坑边作圆周运动,看上去就像地球被太阳牵引着旋转。

所以,地球围绕太阳旋转的原因不在于“力”——“万有引力”,而在于“场”——“引力场”。

如果上帝突然把太阳拿掉呢?自然,地球又会从圆周运动回复到直线运动,牛顿和爱因斯坦都是这样想的。问题是,地球会在什么时候作出这个反应呢?

根据牛顿的理论,万有引力是一种超距作用力,地球会在瞬间作出反应。根据爱因斯坦的理论,太阳周围空间曲率的变化(由弯曲变为平直),是要通过引力场由近及远地传播出去的,就像投掷石块在水面激起的涟漪,是一圈一圈地往外扩散的。以此为比喻:水面,就是引力场;涟漪,就是“引力波”。

这就是爱因斯坦1916年提出的引力波假设。他同时假设,引力波的波速与光速相同,即每秒30万公里。如此,地球要在8秒钟后才能作出反应(请读者自己想一想上面说到的被压凹的空间网在太阳被拿掉后的变化情形)

引力波假设,是广义相对论的第4个可实证推论。前面3个——水星近日点进动、光线弯曲和引力红移,都在爱因斯坦在世时得到了实验观测的验证。唯独引力波,于爱因斯坦去世后的半个世纪里在实验室里没有任何动静。这是因为,引力(或者说,引力波的强度)实在是太弱了,它只有电磁力的1037分之一!

 

LIGO终于接收到表征引力波的信号

 

上世纪90年代,几个重要的引力波探测器开始建设并投入使用,其中最著名的是美国的“激光干涉引力波天文台”(简称“LIGO)。看看它的工作原理也十分有趣(如右图:激光干涉引力波探测器工作原理图)

从激光(LASER)发射器发射一束光,通过半透镜G分为两束光,直射的进入光臂Ⅰ,反射的进入光臂Ⅱ,分别到达反射镜M1M2,反射回来的两束光在G处又通过直射和反射而兵合一处,沿光路Ⅲ照射到观测屏(Screen)

LIGO的设计意图是,光臂Ⅰ和Ⅱ长度严格等长,于是从G分出的两束光最后到达观测屏走过的光程严格相同,频率和波长也严格相同,两束光波严格同步。通过精细的微调,使到达屏幕的一束光的波峰正好与另一束光的波谷相遇。根据异相抵消的光干涉原理,两束光相互抵消,反应在观测屏上就是——没有信号。这表征的是没有引力波的死寂状态,尤如平静如镜的一泓潭水。

当一个引力波通过探测器时,它会在不同的方向上分别拉伸和压缩空间,就像一个压力压扁弹簧,弹簧在垂直的方向上被压缩,而在水平的方向上被拉伸。这就意味着,进入两条光臂的两束光分别被压缩和拉伸,回到观测屏时的严格同步就被破坏了,波峰和波谷就错开了一个或大或小的相位。根据同向倍加的光干涉原理,就会在显示屏上产生干涉条纹,探测器就收到信号,就像看见了水面的波澜。

其实上面说“没有引力波”是不准确的。理论上,一个人挥挥手臂都会产生引力波,只不过这太微弱了,根本不可能被探测到。别说挥手,就算是地球上最大的动静——氢弹爆炸,产生的引力波也微弱到可以忽略不计。

为了提高探测器的灵敏度,一个关键是光臂要足够长。LIGO的两根互相垂直的光臂每根长达4000米。这还不够,科学家还让光束在光臂中多次反射才放出来与另一束光干涉。这就相当于把光臂加长了多倍。即便这样,它也只能探测到光臂相当于一个质子万分之一长度的变化。

作为LIGO项目的最初倡导者和最热情的鼓吹者,加州理工学院物理学教授的基普·索恩于上世纪90年代跟他的同行们打了一个赌:探测到引力波的理想将于20世纪内实现。很显然,他赌输了。又过了十年,依然没有动静。2014年,他参与了科幻片《星际穿越》的编剧。“假公济私”,他绞尽脑汁往电影里塞入引力波的情节,其中一个是剧中主人公使用引力波发报机拯救了即将毁灭的地球人类。也许他是以这样的方式弥补现实中的缺憾吧。

这时LIGO正在进行升级改造,以提高其灵敏度。也许是包括索恩在内的科学家们的痴心感动了上帝吧,2015914日,升级改造后刚刚重启一周的LIGO终于接收到表征引力波的信号!

根据这些信号,通过海量的数学运算和严密的逻辑建构,科学家们解读出这束引力波带来的一个凄美的宇宙故事:13亿年前,距离地球13亿光年的两个分别为36个和29个太阳质量的黑洞突然迅猛“旋进”,合并成一个62个太阳质量的黑洞,其间亏损掉的3个太阳质量转化为引力能量向外辐射,整个过程不超过1秒!

1个太阳的质量可以在90亿年内源源不断地转化为能量向宇宙辐射,而3个太阳质量在不到1秒钟内转化为能量喷发,这是何等壮观或恐怖的情形呢?而对LIGO来说,这绝对是一个可遇不可求的天赐良机!

责任编辑:高恒涛
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