100年前,青年爱因斯坦经过十年苦思冥想,参悟了时空和引力的本质,写下了划时代的公式。后世另一个才华横溢的学者约翰·惠勒将此总结为:时空命令物质如何运动,而物质引导时空如何弯曲。
100年后,经过几代科学家一个世纪的不懈努力,我们终于站在一个新时代的全新起点,迎来了人类探测到的第一个引力波信号。
认真地说说
引力波是什么
引力波其实没啥,就是一种能量,宇宙浩瀚无比,无论在哪发生点啥事,都会一波一波传出去,比如这次的引力波,就是在遥远的天边,两个胖子星球合体,咣一声撞出来的能量,吭哧吭哧散发到宇宙中。
这股能量跑了好多亿年,终于来到了地球,经过了地球和你。于是你的时间和空间发生畸变抖动,具体表现是,你忽胖忽瘦,忽快忽慢。
报道里说的“L”型的超牛的探测设备,其实就是用来测量长宽变化的,一旦出现变化,就说明引力波来了。
经典爱情片 《泰坦尼克号》中,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。
太阳和地球的关系也是一样道理,只不过太阳比地球质量大得多,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。
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?起伏,震颤,波浪……你可以用各种各样的词形容你看到的“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!
引力波能做的,超乎你的想象
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。
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。
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。
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。
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。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。
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。
清华大学团队作出贡献
清华大学2月12日表示,作为中国大陆唯一LIGO科学合作组织成员,清华大学研究团队作出了自己的贡献。
2009年LSC(LIGO科学合作组织)接受清华大学为正式成员。据了解,研究团队着重采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率,参与了LSC引力波暴和数据分析软件等工作组相关研究。
华中科技大学物理学院教授、精密物理量测量教育部重点实验室主任叶贤基表示,目前国内做引力波理论研究的比较多,做相关实验的研究团队比较少。这次的发现相信会对国内引力波研究有很大的推动,相信更多的科学家会加入到实验的队伍当中。
谜底已经揭晓
我们检测到了引力波。我们做到了!!
在美国国家科学基金会召开的发布会上,LIGO研究者公布了LIGO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2015年9月14日探测到了,最终将它命名为GW150914。
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。为什么我们看不到外星人,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,甚至可能将唯一亲自见证这一瞬间的文明。