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终于探测到了引力波 精选

已有 16675 次阅读 2016-2-12 09:16 |系统分类:科普集锦|关键词:引力波,LIGO,黑洞| 引力波, 黑洞, LIGO

2016年2月11日星期四上午10点30分,是一个物理学界值得纪念的日子,美国的LIGO(激光干涉引力波观测站)加上MIT等各处的专家们,在华府召开了新闻发布会,向全世界宣布首次直接探测到了引力波的消息【1】。全世界都为之振奋,天文界和物理界的专家们更是激动不已。

1.引力波是时空的涟漪

牛顿的万有引力定律揭示了引力与万物的关系。而爱因斯坦的广义相对论则将引力与四维时空的弯曲性质联系在一起。物质的质量使得四维时空弯曲,弯曲的时空又影响其中物体的运动,使其运动轨迹成为曲线而非直线。犹如一大片无限扩展的弹性网格以及上面滚动的小球互相影响一样:网格形状因小球重量而弯曲,小球的运动轨迹又因网格的弯曲而改变,见图1a。


图1:弯曲时空和引力波

设想弹性网格上突然掉下一个很重的大铅球,图1b。铅球不仅使得网格的形状大大改变,而且还将引起弹性床的大震荡,就像一颗石子投在平静的水面上引起涟漪一样,铅球引起的震荡将传播到网格的四面八方。

将上面涟漪的比喻用到四维弯曲时空中,便是物理学家们企图探测的引力波。

与电荷运动时会产生电磁波相类比,物质在运动、膨胀、收缩的过程中,也会在空间产生涟漪并沿时空传播到另一处,这便是引力波。根据广义相对论,任何作加速运动的物体,不是绝对球对称或轴对称的时空涨落,都能产生引力波。爱因斯坦在100年之前【2,3】预言存在引力波,但是,由于引力波携带的能量很小,强度很弱,物质对引力波的吸收效率又极低,一般物体产生的引力波,不可能在实验室被直接探测到。举例来说,地球绕太阳相互转动的系统产生的引力波辐射,整个功率才大约只有200瓦,而太阳电磁辐射的功率是它的1022倍。仅仅200瓦!可以想象得到,照亮一个房间的电灯泡的功率,散发到太阳-地球系统这样一个诺大的空间中,效果将如何?所以,地球-太阳体系发射的微小引力波一直完全无法被检测到。

2.长久的等待

笔者当年博士论文的课题是有关引力波在黑洞附近的散射问题,记得30年前的一次讨论会上,有人提到何时探测到引力波的问题时无人作声,只有约翰·惠勒笑嘻嘻、信心满满地说了一句“快了!”。我当时只知道推导数学公式,对探测引力波的实验一无所知,但惠勒这句“快了”在脑袋中却记忆颇深,也从此关心起引力波是否真正存在的问题。

1993年,传来了两位美国科学家获得诺贝尔物理奖【3】的消息。他们便是因为研究双星运动,即两颗双中子星相互围绕着对方公转,而间接证实了引力波的存在。我当时便立即想起了惠勒的话,心想:果然“快了”!

2000年,听说惠勒的一个学生,就是和惠勒一起合作《引力》之书的KipThorne,是加州理工学院的教授,几年前启动了一个叫LIGO的项目,专为探测引力波。1999年10月的“Physics Today”有一篇文章是关于此项目,我看了之后,脑海里又浮现出“快了”。

2007年,在加州偶然碰到一个原来一起在相对论中心的同学,他在某天文台做天体物理,谈及引力波,他也说快了,因为LIGO一年后将要再次升级,升级完成后就“快了”。

2014年,又一次传来探测到引力波的消息【4】

因为普通物体,甚至于太阳系产生的引力波都难以探测,科学家们便把目光转向浩渺的宇宙。宇宙中存在质量巨大又非常密集的天体,诸如黑矮星、中子星、或许还有夸克星等。超新星爆发、黑洞碰撞等事件将会产生强大的引力波。此外,在大爆炸的初期,暴涨阶段,也可能辐射强大的引力波。

2014年传言在哈佛设在南极的BICEP2探测器探测到了引力波,指的并不是直接的接收,而是大爆炸初期暴涨阶段发出的“原初引力波”在微波背景辐射图上打上的“印记”。但是,后来证实这是一次误导,是一次由尘埃物质造成的假“印记”。

直到今天LIGO的发布会,才真正接受到了引力波。当初惠勒的这句“快了”,实现起来也至少花了30年,爱因斯坦就更不用说,已经等待一百年了!


图2:探测引力波的实验设施和结果示意图

美国花费巨资升级的LIGO,是目前最先进的观测引力波的仪器,它的基本原理是使用激光干涉仪,见图2a。从一点发射出两束垂直的激光,利用测量两条激光光束的相位差来探测引力波,见图2c。每束光在传播距离L后返回,其来回过程中若受到引力波影响,行程所用时间将发生改变而影响到两束光的相对相位。如果没有探测到引力波,结果是如图2c上图所示的圆形图案;如果探测到引力波,结果是如图2c下面所示的几个椭圆。干涉臂的长度L越长,测量便越精确。以LIGO为例,双臂长度为4千米,见图2b。

图2d是LIGO结果的示意图,图中可见椭圆。LIGO观测机构拥有两套干涉仪,一套安放在路易斯安娜州的李文斯顿,另一套在华盛顿州的汉福。两台干涉仪都得到了类似的结果,方才能证实的确接收到了引力波。

3.物理研究的里程碑

测量到引力波的意义非凡,首先,这意味着科学家们可以通过它来进一步探测和理解宇宙中的物理演化过程,为恒星、星系、乃至宇宙自身现有的演化模型,提供新的证据,有一个更为牢靠的基础。其二,过去的天文学基本上是使用光作为探测手段,而现在观测到了引力波,便多了一种探测方法,也许由此能开启一门引力波天文学。此外,大爆炸模型,以及黑洞等发射的引力波,都是建立在广义相对论的基础上。如今真正探测到了理论预言的引力波,就能再次证明这个理论的正确性。

这次探测到引力波的波源,据说是遥远宇宙空间之外的双黑洞系统。其中一个黑洞36倍太阳质量,另一个29倍太阳质量,两者碰撞并合成一个62倍太阳质量的黑洞。显然这儿有一个疑问:36+29=65,而非62,还有3个太阳质量的物质到哪儿去了呢?其实这正是我们能够探测到引力波的基础。相当于三个太阳质量的物质转化成了巨大的能量释放到太空中!正因为有如此巨大的能量辐射,才使远离这两个黑洞的小小地球上的我们,探测到了碰撞融合之后传来的已经变得很微弱的引力波。

因为波源是两个黑洞。探测到引力波也再一次确认了这两个黑洞是宇宙空间中的真实存在。黑洞物理不仅涉及广义相对论,也与量子理论密切相关,实际上,对黑洞的认识在物理的不同领域中也稍有一些不同。我们至少可以从三个不同的角度来看待黑洞:

数学黑洞,指的是经典引力场方程的奇点解,更是一种数学模型。谈的多是黑洞无毛定理、史瓦西半径、视界,等等数学定义。

物理黑洞,多涉及黑洞的热力学性质,诸如黑洞熵、霍金辐射、信息丢失等,与量子物理关系密切。

天文黑洞,真实观测到的被称为“黑洞” 的天体。

引力波的探测结果以及今后朝这个方向的进一步研究,将有助于深化对黑洞物理性质的认识,还有对两个黑洞碰撞融合过程的研究,也必定得到了大量有用的信息。对黑洞的这3个方向的深入研究,也许能促成量子理论与引力理论的统一,对基础物理学的研究意义将十分重大,有着里程碑的作用

PhysRevLett.116.061102.pdf



参考资料

1B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration andVirgo Collaboration)Observation of Gravitational Waves from a Binary BlackHole MergerPhys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016

http://www.bbc.com/news/science-environment-35524440

2Einstein, A.: Näherungsweise Integration derFeldgleichungen der Gravitation. In: Sitzungsberichte der KöniglichPreussischen Akademie der Wissenschaften Berlin (1916), 688–696.

3Einstein, A., Rosen, N.: On Gravitational Waves. In:Journal of the Franklin Institute 223 (1937), 43–54.

4Overbye, Dennis (17 March 2014). "Detection of Wavesin Space Buttresses Landmark Theory of Big Bang". New York Times.Retrieved 17 March 2014.




人类首次探测到引力波
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