全新一代君越·思想湃丨苟利军:引力波,倾听星辰大海的声音

宋一聪

2016-09-27 09:14 来源:澎湃新闻

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今年2月11日,美国国家自然科学基金会携加州理工、麻省理工和LIGO科学合作组织(LSC)的专家向全世界宣布:美国的LIGO(激光干涉引力波观测站)首次直接探测到了引力波。许多科学界大牛都对此表示关注,而广大看热闹的吃瓜群众则纷纷表示:引力波是什么波?有辐射吗?会影响胎儿发育吗?
如果你对这个问题抱有执念却无论如何也看不懂天文学家们那一篇篇仿佛天书般的论文和“科普文”的话,那么这次真正能帮到你的人出现了:他是中国著名的天体物理学家,国家天文台恒星级黑洞研究创新小组主要负责人,同时也是科幻小说的译者,之前大热的《星际穿越》的原著中文版就出自他手。他像霍金一样,擅长将晦涩难懂的天体物理知识做出深入浅出的解读,在短短的讲座时间里,他可以讲清楚引力波到底是什么,对我们的生活又将有什么影响。

他叫苟利军,一个博士,一位科学家,更是一名“段子手”。2016年9月20日19:30,苟利军来到全新一代君越·思想湃,为广大好奇宝宝们讲讲关于引力波和黑洞的故事,带领我们倾听星辰大海。
什么是引力波?
引力波这三个字,在我们看来就是属于那种拆开了都认识,但合在一起却不知为何物的东西。引力波究竟是什么呢?苟利军是这样解释的:
“那引力波到底是什么呢?引力波的话首先我们听这个名词,它包括两部分,一部分是引力,另外一部分就是波。所以我们要理解引力波的话,就要去理解引力是什么,波是什么,波要传动的话,波要传播。那自然需要媒介,所以这个媒介就是时空。”
牛顿发现了万有引力,而爱因斯坦则以他的相对论进一步完善了“引力”这个概念。牛顿认为引力是由于物体质量的存在而引起的,而在爱因斯坦的广义相对论里,引力是由“时空的弯曲”而引起的。甚至可以换句话说,是有质量的物体引起了它周围的时空产生弯曲,这种时空弯曲使得物体在运动时遵循了一定的规律,这种规律曾经被牛顿解释为“万有引力”,但事实上在广义相对论看来,引力是不存在的一个概念。
要理解这一点,苟利军做了一个非常生动的比喻。“我们可以把时空,就是说想象成一个橡胶膜一样的东西,而位于其中各种各样天体,就是不同质量的这种物体呢,会造成时空这张薄膜的弯曲。就像右边所画的,你比如说太阳中子星和黑洞,因为它们的质量、密度不太一样,所以的话对于时空所造成的这种弯曲的程度也就不太一样。”而在这些大质量的物体所扭曲的时空中运动的物体,虽然试图以直线(测地线)来行动,但最终还是会表现为一个曲线的运动。

爱因斯坦在发现了这一点之后,把他这种想法归纳成一个非常简洁的公式,也就是我们现在所熟知的爱因斯坦方程,在方程左边它是代表了时空的几何结构,而在方程另外一侧它是代表了时空,就是说时空所包含的能量和动量。
而当你理解了广义相对论里这些关于“时空弯曲”的基础理论之后,理解“引力波”也就不那么困难了。既然大质量的物体可以引起时空弯曲,那么引起这种弯曲的能量必然会形成波动——就好像我们向平静的水面上丢一颗石头进去一样。由水面为传播介质的波动是水波纹,而就像这水面一样,由时空为介质传播的波动,就叫“引力波”。

引力波为什么这么重要?
那么,为什么引力波的发现,会引起科学界如此大的震动和关注呢?原因其实非常简单:引力波的发现,第一次在实验上证实了爱因斯坦的广义相对论的正确性,并且它证明了“时空”的存在。
爱因斯坦在1915年提出了广义相对论,在第二年也就是1916年的时候,就用爱因斯坦方程得出精确解,得出了引力波存在的猜想。但是100年来,虽然科学家们尝试了各种方法想去探测引力波,试图证明引力波的存在,却往往劳而无功。爱因斯坦的广义相对论虽然在理论上无可挑剔,却迟迟得不到直接证据的验证。
而在引力波被真正发现之后,科学家们终于可以证明这一点,其意义之重大,用苟利军的话来说,“引力波可以说是人类在探索宇宙的这个过程当中,将会带来我们第五次飞跃”。前四次飞跃分别是:伽利略在1609年用望远镜观测宇宙;1930年代贝尔实验室发现宇宙无线电波;1960年代美国人发现高能宇宙X射线;1987年开创了中微子天文学。
引力波是如何被发现的?
在爱因斯坦提出有引力波存在的猜想之后,在很长时间内,科学家们并没有用实验去寻找它。直到1950年代,美国的物理学家弗尔米(音),他通过思维上的实验证明了引力波应该是真实存在的,之后首先掀起了实验上的一股热潮。最早做这种实验的是美国马里兰大学的韦伯(音)教授,他当时设计的思想其实非常简单,他说如果一个引力波存在的话,经过我们地球那我可以设计一个设备,当这个设备跟引力波的频率差不多非常接近的时候,或者就是说完全一致的时候,那就会引起共振,这种共振现象产生,就说明探测到了引力波。
虽然韦伯教授后来多次宣称他探测到了引力波,但其他物理学家都无法重复他的实验结果——在科学界,不可重复实验结果的实验,就可以认为是无效的。显然,韦伯的方法行不通。
但韦伯的实验开辟了引力波探测的真正热潮,吸引了许多科学家加入实验。1970年代的时候,美国普林斯顿大学的Joseph H.Taylor教授和他的学生Russell A. Hulse,发现了一个特殊的双中子星系统,特殊是在什么地方?他们发现那个周期会衰减,衰减意味着能量有损失,这些损失的能量到底是什么地方呢?而之前发现的一些其他系统都表现很稳定,所以他们就对这个系统是非常的好奇。最后,他们发现还是用引力波理论来解释最完美的,通过二十多年的观测结果发现,观测跟引力波理论是完美符合。1993年的时候,两人因此而获得了诺贝尔物理学奖。
在他们的启发下,麻省理工学院的Rainer Weiss教授就想到是不是可以利用所谓激光干涉的方法来探测引力波的存在。激光打到一个分束镜,分成两束,沿着很长的距离传播以后,在镜子上分别反射,打回到分束镜上。如果两束的臂长一样,这两束打回来的光会在分束镜上合成一束从入射口回去,另外一口是没有光的。但是,如果有引力波,镜子的位置改变,导致的位移就会导致两束返回的光在分束镜上的相位有所变化,导致在没有光的口会产生信号光。把信号光检测出来以后,就可以探测出引力波。这种方法的好处是可以使臂长变得很长,越长就越可以放大引力波导致的镜子的运动。
1990年代初,Rainer Weiss领导的LIGO项目得到了美国国家科学基金的资助,在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造一个干涉仪,呈现L形排列,利用迈克耳逊干涉仪原理进行测量引力波。
L形测量臂很长,达到4公里,两个测量臂垂直排列,两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射,如果干涉条纹发生了变化,就说明探测到了引力波事件。“十余年运作没有发现引力波事件,科学家们对激光干涉引力波天文台进行了升级,从2010年到2015年进行了第一次升级,升级完成后的LIGO于2015年9月14日开始正式运行,在运行5分钟之后就探测到我们现在所熟知的第一例引力波事件,命名为GW150914。”
这次探测到的引力波,是由两个黑洞合并所造成的,能量惊人。而这一次的发现,其在地球上的影响力同样惊人。

引力波会对我们的生活产生什么影响?
引力波的发现,对许多人而言或许又要多一层关于“辐射”和健康的担心了?苟利军笑称,淘宝上第二天就出现了“防引力波”的服装,中国人的商业头脑真不是盖的。
那么,引力波到底会对我们产生什么影响呢?从引力波本身来讲,它确实会对物体产生一定影响,就是可以改变物体周围的时空。但是会有多大改变呢?苟利军举了个例子,人类做过最大当量的氢弹试验是前苏联做的500万当量的爆炸,它对时空会产生一定扰动,引起引力波,但这种引力波非常非常小。比如对于一个一米长的物体,这种引力波导致的变化量是十的负二十七次方米,而一个原子的大小是十的负十次方米。
而宇宙中的超新星爆发、黑洞和中子星的合并都会产生更大的能量,也会产生更大的引力波。但由于距离遥远,我们目前只是能检测到它,而它对我们生活的影响,可以说微乎其微。用苟利军的话来说:“挤地铁和公交车对你身体造成的变化,也比引力波要大得多。”所以我们大可不必担心引力波本身对我们身体有什么危害,而所谓“防引力波”的衣服,则更是无稽之谈。
而至于引力波研究带来的现实意义,苟利军表示,这个研究还是属于基础科学研究的范畴,它不会像VR技术那样有特别快的现实转化,但是从长远来看,这是科学迈上了一大台阶的标志性事件。苟利军又举了个例子,“引力波的这种意义,不亚于,非常类似于有声电影和无声电影这两者之间的这种差别。”因为在引力波被发现之前,我们只能通过观察来看宇宙,而引力波的波长跟人耳能听到的声音的波长相似,从此我们可以通过特殊手段,来“听到星辰大海的声音”。
责任编辑:王心怡澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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