捕捉時空漣漪
2019-04-23 05:24:16楊先碧
大自然探索 2019年4期
楊先碧
愛因期坦是引力波的提出者。
宇宙中的任何物體，大到天體、小至塵埃，相互之間都存在引力。然而，物體之間的引力是如何傳播的？愛因斯坦認為，引力像水波一樣不斷向外擴散，這就是引力波。在愛因斯坦提出引力波概念將近100年的時間里，科學(xué)家未能真正探測到引力波。直到2015年，這個科學(xué)之謎才被激光干涉引力波天文臺（簡稱LIGO）揭曉。對探測引力波做出重要貢獻的三位科學(xué)家雷納·韋斯、巴里·巴里什、基普·索恩，因此獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎。
引力傳遞需要時間嗎
我們知道，宇宙中有最基本的四種力：引力、電磁力、弱核力、強核力。一切關(guān)于物質(zhì)的物理現(xiàn)象，在物理學(xué)中都可借助這四種基本相互作用的機制來進行描述和解釋。
在四種基本力中，引力是最早被發(fā)現(xiàn)的。英國物理學(xué)家牛頓因被蘋果砸頭而提出“萬有引力”的故事已經(jīng)家喻戶曉了。無論牛頓是不是因為這個事件頓悟到萬有引力，牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力都是科學(xué)界公認的事實。1687年，牛頓正式公布“萬有引力定律”。這個定律表明：任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質(zhì)量成正比，而與它們之間的距離的平方成反比。
萬有引力定律解釋了當時人們比較困惑的一些現(xiàn)象，比如：月球為何圍繞地球轉(zhuǎn)？地球為何圍繞太陽轉(zhuǎn)？為什么向上拋出的物體還是會落向地面？萬有引力定律只提到兩物體相互直接作用于對方的引力，并未解釋引力傳遞過程，而且這條定律與時間無關(guān)，意味著引力是瞬時、直接的超距作用。
蠟燭點燃，屋子里全亮了：太陽出來，天地之間就明亮了。因此，人們曾經(jīng)認為，光的傳播是不需要時間的。同理，許多近代科學(xué)家也曾認為，引力的傳播也是不需要時間的。令人矛盾和尷尬的是，雖然牛頓的引力定律間接支持了超距作用的觀點，但是牛頓本人并不認為引力可以不借助媒介而瞬間產(chǎn)生。
牛頓在給朋友的一封信中曾寫道：“很難想象沒有別種無形的媒介，無生命感覺的物質(zhì)可以無須相互接觸而對其他物質(zhì)起作用和產(chǎn)生影響。”牛頓曾經(jīng)以太空中存在“稀薄的以太”“以太精氣的連續(xù)凝聚”等觀念來解釋引力的傳播過程。可是當一個精密實驗證明了太空里并不存在“以太”的時候，牛頓力學(xué)面臨的困難就更大了。
愛因斯坦1905年創(chuàng)立的狹義相對論指出，任何信號的傳遞不可能超過光速。既然萬有引力也是一種信號，它的傳遞不可能不花時間。按照狹義相對論，萬有引力的傳播需要時間，但它的傳播速度不會超過光速。愛因斯坦曾在一篇文章中寫道：“牛頓?。≌堅徫?，你發(fā)現(xiàn)了你那個時代所能發(fā)現(xiàn)的唯一的路……但是我們知道，如果想達到更深刻的理解，這些概念需被遠非人類能體驗的其他內(nèi)容所替代?！?p>
引力波形成原理和水波每些類似
引力的本質(zhì)是時空彎曲
引力是如何傳播的
雖然牛頓給出了萬有引力的計算公式，但是他始終沒有弄明白物體之間的引力是如何傳播的。愛因斯坦對此有一套十分深奧且科學(xué)的解釋，其中有大量是普通人看不懂的數(shù)學(xué)公式。不過，愛因斯坦給了人們一個通俗易懂的解釋。
愛因斯坦認為：時間和空間是一體的，總稱為時空。他用水波打比方來解釋引力在時空中的傳播原理。向平靜的水面扔一個石子，立即蕩起一圈圈漣漪，它們以石子落水點為中心，不斷向外擴散，而且波的力度越來越小。同樣，宇宙就像是無邊無際的時空海洋，可被劃分為一片片時空界面，如果向這個時空的某個界面上放置一個天體，它就會壓迫這片時空，造成時空彎曲，然后產(chǎn)生時空漣漪，不斷向外擴散，給予其他天體以引力。
1915年，愛因斯坦將引力納入相對論的框架，創(chuàng)立廣義相對論。他指出：萬有引力的本質(zhì)就是時空彎曲，時空彎曲決定天體的運動規(guī)律。物質(zhì)的質(zhì)量使四維時空彎曲，彎曲的時空又影響其中物體的運動，使其運動軌跡成為曲線而非直線。美國物理學(xué)家約翰·惠勒曾說：“物質(zhì)告訴時空如何彎曲，彎曲的時空告訴物質(zhì)如何運動?！迸ｎD的萬有引力定律揭示了引力與萬物的關(guān)系，而愛因斯坦的廣義相對論則將引力與四維時空的彎曲性質(zhì)聯(lián)系在一起。愛因斯坦還指出，引力波以和光波同樣的速度向外傳播。
為了讓人們進一步了解時空彎曲和引力之間的關(guān)系，科學(xué)家還和藝術(shù)家合作，用網(wǎng)和球的圖片來展示引力的成因。設(shè)想一下，一張彈性網(wǎng)上突然掉下一個很重的大鐵球，鐵球不僅使網(wǎng)的形狀大大改變，而且還將引起彈性網(wǎng)的大震蕩，鐵球引起的震蕩將傳播到網(wǎng)格的四面八方。彎曲時空中的這種漣漪，便是物理學(xué)家企圖探測的引力波。
當然，就如同石子觸及水面才會產(chǎn)生水波一樣，在時空網(wǎng)絡(luò)中有變化的天體才會產(chǎn)生引力波，這種變化包括天體的自轉(zhuǎn)、膨脹、收縮、碰撞與合并。石子完全沒入水中之后，它對水面的壓力就消失了，所以水面很快又恢復(fù)了平靜。時空漣漪畢竟不是水波，它是隨著天體的誕生一直存在著，因為尚未發(fā)現(xiàn)某個天體是完全靜止的，它的自轉(zhuǎn)以及其他運動都會對時空帶來彎曲而引發(fā)漣漪。
黑洞合并產(chǎn)生強烈的引力波
位于美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）
如何探測引力波
引力是很明顯的事實，也非常好測量。比如，地球?qū)δ橙说囊w重可以用秤來測量。假如一個人體重是50千克，我們就可以根據(jù)重力公式，計算出地球?qū)@個人的引力大約是490牛。雖然引力是四種基本力中最先被發(fā)現(xiàn)的，引力比較容易測量和計算，但是對傳播引力的引力波的證實卻是最晚的。這說明引力波的探測對物理學(xué)家來說是很艱難的任務(wù)。
根據(jù)愛因斯坦的相對論，引力波是可以探測的。然而，由于引力波攜帶的能量很小，強度很弱，物質(zhì)對引力波的吸收效率又極低，所以一般物體產(chǎn)生的引力波不可能在實驗室被直接探測到。舉例來說，太陽和地球之間的引力波功率只有200瓦，就相當于在一億多千米外放置一盞200瓦的燈泡。要在地球上探測到燈泡發(fā)射到太空中的能量，那種難度真是超出想象。
早期，由于測量手段的限制，科學(xué)家只能通過其他途徑間接證明引力波的存在。1974年，美國物理學(xué)家拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒發(fā)現(xiàn)，引力波導(dǎo)致一個中子星和與之互相環(huán)繞的伴星之間的距離越來越小，他們因此獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎。
雖然探測引力波很難，但是也并非完全不可能。那么，究竟如何探測呢？科學(xué)家巧妙地利用LIGO對引力波進行放大。LIGO由兩個激光干涉儀組成，分別位于美國華盛頓州和路易斯安那州，兩個裝置相距3000千米。每個干涉儀成L形，都帶有兩個臂，每個臂長4000米，由1.2米粗的真空鋼管組成。
引力波振幅的數(shù)量級在10-21以下，只有氫原子直徑的一千億分之一大小。目前，最精密探測器都不可能測量這么小的長度。而LIGO之所以能測量到引力波，是因為LIGO能通過激光干涉把引力波的這個振幅進行放大。按照相關(guān)的科學(xué)理論，激光在LIGO里跑多少米，就能將引力波的振幅放大多少倍。結(jié)果，激光在4000米的真空鋼管內(nèi)來回跑了400次，就相當于產(chǎn)生了一個160萬米的激光臂，也就能將引力波的振幅放大160萬倍。
2016年2月11日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）的科學(xué)家們在美國華盛頓召開了新聞發(fā)布會，向全世界宣布他們首次直接探測到了引力波。根據(jù)他們的報告，2015年9月14日，LIGO測到干涉儀的臂產(chǎn)生了10-18米的微小長度差。經(jīng)過進一步的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個強力引力波來自13億光年外兩個黑洞的碰撞，一個黑洞有36倍太陽質(zhì)量，另外一個黑洞有29倍太陽質(zhì)量，最終合并為62倍太陽質(zhì)量。中間為何差了3倍太陽質(zhì)量呢？這3倍太陽質(zhì)量正好轉(zhuǎn)化為了引力波的能量。正因為有如此巨大的能量輻射，才使離此黑洞13億光年之遙的科學(xué)家能探測到引力波。
我們都知道，科學(xué)測量難以完全避免誤差。盡管科學(xué)發(fā)展到今天，精密測量的精度越來越高，但是我們還是不能完全排除偶然因素引發(fā)的誤差。這就是為何LIGO要在遙遠的兩地各設(shè)一個探測裝置的原因。兩地相距3000多千米，就可以通過超級計算機比對兩者采集到的數(shù)據(jù)，并通過算法來排除許多干擾信息。同時能影響到相隔這么遠的兩地的波動信號，必然來自太空，這樣把地面人為的信號都去除掉，再篩選起來就容易多了。在2015年9月14目的探測中，兩個站點探測到的結(jié)果一模一樣，這就說明不會有來自地面的影響因素導(dǎo)致測量發(fā)生誤差。
為什么科學(xué)家不探測距離我們較近的天體的引力波，而是要探測13億光年外黑洞發(fā)出的引力波呢？這是因為普通物體甚至太陽系產(chǎn)生的引力波都難以探測，科學(xué)家便把目光轉(zhuǎn)向浩渺的宇宙。宇宙中存在質(zhì)量巨大又非常密集的天體，如黑矮星、中子星，或許還有夸克星等。超新星爆發(fā)、黑洞碰撞等事件會產(chǎn)生強大的引力波。此外，在大爆炸的初期，暴漲階段也可能輻射強大的引力波。
成功探測引力波是團隊合作的結(jié)果，很多科學(xué)家為LIGO的成功做出了貢獻，在相關(guān)論文上署名的就有幾百人，長長地排滿了幾頁。但按照慣例，諾貝爾獎除了和平獎多次頒發(fā)給團隊外，其他獎項只頒發(fā)給個人，而且每個單項獎的獲獎?wù)呙看巫疃嗳耍虼?，韋斯、索恩和巴里什三人最終獲獎。當然，他們在團隊中的重要性也是毋庸置疑的：韋斯最早發(fā)明激光干涉引力波探測器，首次分析了探測器的主要噪聲來源，并領(lǐng)導(dǎo)了LIGO儀器科學(xué)的研究，最終使LIGO相關(guān)設(shè)備達到了足夠的靈敏度;巴里什于1997-2006年擔任LIGO項目主管，領(lǐng)導(dǎo)了LIGO建設(shè)及初期運行，建立了LIGO國際科學(xué)合作，把LIGO從幾個研究小組從事的小科學(xué)成功地轉(zhuǎn)化成了涉及眾多成員并且依賴大規(guī)模設(shè)備的大科學(xué)，最終使引力波探測成為可能;索恩奠定了引力波探測的理論基礎(chǔ)，他開創(chuàng)廠引力波波形計算以及數(shù)據(jù)分析的研究方向，并對LIGO項目做出了重要貢獻，是LIGO項目的主要創(chuàng)始人之一。
超新星爆發(fā)產(chǎn)生的引力波。
為何要探測引力波
LIGO項目從20世紀80年代由麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院共同提出，并在1992年得到美國國家科學(xué)基金會（NSF）的資金支持。在前后40年的時間里，投入了6.2億美元進行研究。2014年，我國科學(xué)家羅俊院士團隊己提出自主的空間引力波探測計劃“天琴計劃”。該方案是在10萬千米高度的地球軌道上，部署三顆全同繞地衛(wèi)星組成臂長17萬千米的等邊三角形編隊，建成空間引力波科學(xué)探測系統(tǒng)。“天琴計劃”預(yù)計總投資約為150億元，耗時20年?；ㄟ@么多錢用于探測來自遙遠太空天體的引力波信號，不禁會讓人產(chǎn)生疑問：這值得嗎？
當然值得，不然諾貝爾獎也不會兩次把物理學(xué)獎頒發(fā)給引力波的相關(guān)研究者。從理論上來說，引力波探測驗證了愛因斯坦的廣義相對論，為人們探索宇宙奧秘開啟了一扇新窗口。以前的天文學(xué)基本上都是使用包括可見光在內(nèi)的電磁波作為探測手段，而現(xiàn)在觀測到了引力波，便多了一種探測方法，也許由此能開啟一門引力波天文學(xué)。這意味著科學(xué)家可以通過引力波來進一步探測和理解宇宙中的物理演化過程，為恒星、星系，乃至宇宙自身現(xiàn)有的演化模型提供新的證據(jù)，提供一個更牢靠的基礎(chǔ)。
尤其是在對黑洞的探測過程中，以往缺乏比較直接可靠的手段，而引力波探測技術(shù)的不斷成熟和完善，將有利于科學(xué)家了解黑洞的形成原理和演化機制。對黑洞的上述的深入研究，也很可能促成量子理論與引力理論的統(tǒng)一，對基礎(chǔ)物理學(xué)的研究具有里程碑的意義。
引力波對黑洞的探測成果不斷。2018年12月3日，LIGO團隊的科學(xué)家宣布，他們根據(jù)LIGO的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了4起黑洞合并事件產(chǎn)生的引力波。其中發(fā)生在2017年7月29日的是迄今探測到的最大黑洞合并事件，發(fā)生地距地球約90億光年。在所有觀察到的黑洞合并事件中，此次的黑洞旋轉(zhuǎn)速度最快，距離地球也最遠，最終形成了80倍太陽質(zhì)量的黑洞。另外3起黑洞合并事件發(fā)生于2017年8月9-23日期間，與地球的距離為30億～60億光年，產(chǎn)生黑洞的質(zhì)量為太陽的56～66倍。
2017年8月17日，LIGO第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波。全球約70個地面及空間望遠鏡從紅外、x射線、紫外和射電波等波段開展觀測，確認引力波信號來自距地球約1.3億光年的長蛇座內(nèi)NGC 4993星系。這是人類歷史上第一次使用引力波天文臺和電磁波望遠鏡同時觀測到同一個天體物理事件，標志著以多種觀測方式為特點的“多信使”天文學(xué)進入一個新時代。
從現(xiàn)實來說，引力波探測將為未來人類的星際航行打下堅實的基礎(chǔ)，未來的星際航行可能得依靠引力波來提供坐標并導(dǎo)航，由此找到那些適合人類拓艮居住的外星家園，還有那些蘊含著無窮寶藏的海量天體。（責任編輯 張虹）
獲獎?wù)吆喗?/h3>
雷納·韋斯（Rainer Weiss），美國物理學(xué)家。1932年出生于德國，1962年從美國麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，1966年首次設(shè)想出一種探測引力波的方法?，F(xiàn)為麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授。
巴里·巴里什（Barry Barish），美國物理學(xué)家。1936年1月27日出生于美國，1957年獲得物理學(xué)學(xué)士，1962年獲得美國加州大學(xué)伯克利分校的實驗高能物理的博士學(xué)位，1963年加入美國加州理工學(xué)院，1997-2006年擔任LIGO項目主管。
基普·索恩（Kip Thorne），美國物理學(xué)家。1940年6月1日出生于美國，1962年獲得美國加州理工學(xué)院的學(xué)士學(xué)位，1965年獲得美國普林斯頓大學(xué)的博士學(xué)位，自1991年起擔任加州理工學(xué)院費曼理論物理學(xué)教授至今。他開創(chuàng)了引力波波形計算以及數(shù)據(jù)分析的研究方向，并對LIGO項目做出了重要貢獻。
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