专访|苟利军:引力波探测一周年,我们重温那个伟大时刻

记者 徐明徽

2016-09-26 17:27 来源:澎湃新闻

字号
100年前,预测引力波的爱因斯坦或许都无法想象人类可以直接观测到引力波。今年9月,距离科学家们探测到引力波已经一周年了,在这个值得被纪念的时间,澎湃新闻全新一代君越·思想湃栏目邀请到了天体物理学家、《星际穿越》原著小说译者苟利军博士,带领观众再度进入迷人的天文世界。
“大家已经苦苦等了近一个世纪,这其中的艰辛恐怕只有在其中努力过的人才能真切体会到。所以即使相关消息已有许多,但发现引力波这一事件还是值得我们再度回味,”苟利军博士回忆自己当初到新闻发布会时都是热泪盈眶。
北京时间2016211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。苟利军博士说:“困扰世界的百年物理谜题终于解开,这验证了1916年爱因斯坦提出的广义相对论,意味着时空是可以扭曲的。找到引力波就意味着打开了全新的宇宙观察视野,天文学在21世纪将进入引力波天文学时代。”

那么到底什么是引力波呢?苟利军博士介绍:“首先要理解引力是什么?波是什么?波要传动就需要时空这个媒介,所以大家要了解引力的发展史和时空的发展史。牛顿提出了万有引力,对于时空他也提出了自己的看法,他认为时间和空是完全独立的。然而在之后几百年的过程中,出现大量实验、理论与牛顿的理论时空观产生矛盾。”
20世纪初,爱因斯坦结合了此前的实验及理论提出了狭义相对论,假设光速不变原理,这样就使得时间与空间形成了一种联系,然而狭义相对论中最大的缺憾是没有包括引力。苦思十年后,1915年爱因斯坦提出了广义相对论。“牛顿认为质量的存在导致了引力,而爱因斯坦则对引力有了一个新的认识,他认为物体的运动是因为时空是弯曲的,因此引力是不存在的一个概念,”苟利军博士让观众们把时空想象成一张橡胶模,有质量的物体就会让橡胶膜弯曲,就像站在蹦床上时引起床垫变形一样。各式各样的天体,造成了时空这张橡胶模的弯曲。
橡胶模上弯曲的线,在曲面局部看反而是最直的一条线,这条线就叫做测地线。爱因斯坦方程就是用来描述这个现象的,左边公示代表时空的几何结构,右边公式代表时空中的能量和动量分布。

这个方程的第一个解,后来被科学家发现是一个黑洞。在数学上,黑洞把时空分成两部分,黑洞所谓的视界是只能进入没办法逃出的曲面,是一个球。在外面只可以进入视界之内,从视界之内逃不出视界。黑洞撕裂一切,黑洞使时间停止。两年前一部热映的电影《星际穿越》其中有一个情节,宇航员们前往了一个靠近黑洞的星球,他们只在这个星球上呆了三个小时,然而当他们回到停留在外面的飞船上时,飞船上的宇航员告诉他们已经过去了
20多年。
爱因斯坦方程的另一个解,就是1916年发现了所谓的弱引力场下的解,这个解便描述了引力波。引力波就像水面上的波动。当水面震荡的时候,它的震荡会以水波的形式传播出去。类似的,时空几何的振荡也会由引力波的形式传播。不同的是,在爱因斯坦方程中,引力波是按照光速传播的。因此,引力波也被称作为时空的涟漪。
“时空对人们来说是一个非常虚的概念,但通过探测到引力波,让我们知道时间和空间是真实存在的,”苟利军博士说。
过去百年间人们是如何探测引力波的呢?
爱因斯坦认为只有质量足够大、能量足够高的物体以极快的速度运动,才可能产生足够大的引力波。“强烈的引力波大概会出现在四类情况下,第一种就是这次美国LIGO探测器所探测到双黑洞合并或者中子星合并;第二类是一些特殊的中子星在自身旋转过程中产生;第三类是恒心死亡时产生超新星时释放出大量的能量;第四类就是宇宙大爆炸过程中产生的原初引力波。”

苟利军博士继续介绍:“引力波是一个横波,它影响的是跟引力波传播方向垂直平面之内的距离。垂直于引力波传播方向的平面上的物体,它们之间的距离会按一定规律变化。物理上说引力波有两个偏振,也就是两种不同的模式。这些物体本来是一个圆环上,当引力波入射到达垂直屏幕的时候,这些圆环上的物体在一种偏振下是按照这种模式振荡。”
引力波的数学发现以后,科学家们就开始动脑筋想观测到引力波的物理效果。上世纪60年代,美国科学家韦伯首先开始实验。他用了共振法,用一个铝棒,它本身有一个共振频率。如果引力波是以共振频率入射,共振频率的引力波就会导致铝棒的振荡,他想通过检测装置探测到铝棒的振荡。
在韦伯的实验中,号称探测到了很多引力波的信号。但是,他的实验有两个问题:一是没有办法重复,二是他探索到的信号也没有天体物理的适当原因可以解释。所以大家普遍认为他的引力波探测是没有成功的。然而,他开创了引力波探测领域。

又过了
10年,普林斯顿大学的Joseph H.Taylor教授和他的学生Russell A. Hulse1974年首先发现了双脉冲星系统,这个系统的周期会衰减,这意味着能量在损失,那么损失的能量去哪里了?他们认为引力波是这种现象的最好解释,间接地说明了引力波是存在的。两人在1993年因此而获得了诺贝尔物理学奖。
也是在70年代,用激光干涉来测量引力波的方法出现了。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,美国物理学家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LIGO2015914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,命名为叫GW150914。”
苟利军博士介绍,接下来科学家们还会对LIGO维护升级,希望其灵敏度达到现在的3-4倍,这样有望探测到更远更弱的一些引力波。“GW150914告诉了人们许多信息,在探测到之前我们从来不知道恒星级的黑洞如此重,两个黑洞的质量分别是36个太阳质量和29个太阳质量。产生这次引力波距离我们13亿光年,而人类致力行走也大约就是近20万年的时间。”
就是今年6月,第二例探测事件被披露,这次的探测事件正好发生在2015年圣诞节期间,于是也被称作为圣诞节引力波。
探测到引力波会对我们的生活产生什么样的影响呢?这是观众们目前最感兴趣的问题。
苟利军博士举了一个例子:“欧洲有一个大型强子对撞机,在对撞过程中会分享数据,但当时各国分享数据非常不方便,于是就有了3W网络协议。这在当时仅仅是核物理学家为了分享数据而创造的一种协议,后来就被运用到我们生活,直接让我们的生活发生了翻天覆地的变化。”
“现在探测到引力波似乎与我们的实际生活没有多少关系,但是很有可能在不远的将来,会再次导致人们的生活发生一次巨变。”
引力波已经出现在了许多科幻小说中,苟利军博士提到了大家最熟悉的《三体》。在《三体》中,地球上许多地方建立引力波发射塔,向宇宙中播放三体认的信息。这种情况有可能实现吗?苟利军博士说:“就像上述所讲只有四类天体运动才能产生能量强大的引力波,地球上的人为制造出的引力波极其极其微弱,想用来传递信号是非常困难的。所以《三体》中设想的这个情节不可能。”

在《星际穿越》中也出现了引力波。“这部电影没有直接谈到引力波,而是出现了一个在土星周围的虫洞,而正是借助引力波才发现了这个虫洞。”
苟利军博士还提到了《星际穿越》中最后一个让人印象深刻的情节,主人公在超立方体中不断敲打书架一样的东西,想通摩斯电码的方式将黑洞中的一些信号传递给女儿。“许多人以为这是引力波,其实不是,只是引力的作用,因为主人公是直接的敲打,而不是通过波的形式来传播。”
随着科技的发展,未来引力波无疑将带给人们更多的宇宙信息。而在这一激动人心的天文学进步背后,是一代代基础科研人员一生的艰苦奋斗。在全新一代君越·思想湃讲座最后,苟利军博士说:“基础学科非常辛苦与严谨,而且进程缓慢,然而它产生的影响却是划时代的。没有基础学科,所有的所谓创新都是小打小闹。希望中国的基础学科能够得到真正的重视和发展,也希望有志投身于基础领域的人,做好为理想贡献终生的心理准备。”
责任编辑:许文忠澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >>

继续阅读

评论(28)

热新闻

澎湃新闻APP下载

客户端下载

热话题

热门推荐

关于澎湃 在澎湃工作 联系我们 版权声明 澎湃广告 友情链接