引力波：时空的舞蹈 你们对于这篇文章有什么看法？
2017年10月颁布的诺贝尔物理学奖,可以说是最缺少悬念的奖项:麻省理工学院的菜纳魏斯( Rainer Weiss)、加州理工学院的巴里·巴里什( Barry Barish)和基普索恩(KipThorne),三人将共享900万瑞典克朗(约合110万美元)的奖金。他们所在的美国激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了引力波的真实存在,验证了阿尔伯特爱因斯坦一个世纪前的预测。
2015年9月,LIGO探测到了两个遥远的黑洞碰撞时所造成的时空扭曲。该项发现于2016年2月对外公布,证实科学家能够“听到”宇宙中一些剧烈事件所发射出的时空振动。这一发现,被认为是天文领域时“范式革命”,人们对宇宙的观察,开始从“看”向“听”转变。
要明白引力波,先要知道道黑洞是怎么回事。黑黑洞是广义相对论最为极端的理论预言,广义相对论描述了物质和能量如何让时空几何发生弯曲,就像一个胖子睡在床上,床垫就会凹下去。引力波的产生常常和黑黑洞有关,当物质在时空中运动时,附近的曲率就会随之改变。大质量物体运动时所产生的曲率变化,会以光速像波一样向外传播,这一传播现象就是引力波,产生引力波的典型场就是两个黑洞合二为ー。
2017年诺贝尔物理学奖获得者之一基普索恩,曾担任克里斯托弗诺兰执导的电影《星际穿越》的科学顾问,影片中的黑洞被认为是“一个有史以来最精准的黑洞模型”一一这个黑洞,可以说是整部电影的核心。索恩和影片的制片人琳达奥布斯特是认识了30年的老相识,当当年还是卡尔萨根(美国著名天文学家、科普作者)给他俩安排了一场会面一讨论要不要制作一部涉及黑洞与虫洞的电影。
《星际穿越》讲的是一个反乌托邦的“近未来”故事:粮食作物无法存活,人类面临灭绝;由于土星附近出现神秘虫洞,NASA借机将数名宇航员派遣到遥远的星系,去寻找适合居住的星球。在琳达奥布斯特的“牵线”之下,索恩和导演诺兰开始接触,探讨影片涉及的物理学问题,如时空曲率,现实世界的连接点”,以及引力如何弯曲光线。
如何让遥远的宇宙空间连接现实中的地球?这个问题对于索恩来说并不陌生,他在1983年时就曾向卡尔萨根建议,用“虫洞”解决这个连接问题。虫洞是1930年由爱因斯坦及纳森罗森在研究引力场方程时假设的,简单地说,“虫洞”就就是连接宇宙遥远区域间的“细管”,连接黑洞的时空隧道对于《星际穿越》来说,虫洞也是必然选择。不过接下来的
问题是,如何将虫洞表现在银幕上?看完剧本之后,索恩告诉诺兰,他需要一个极大的黑洞“巨人”( Gargantua),虫洞就是连接这个黑洞与地球的管道。在影片里,“巨人人”以接近光速旋转着,将宇宙的物质一点点地吸引过去,一道“吸积盘”环绕着球形大漩涡。“巨人”的构想早在索恩1994年的科普专著《黑洞与时间弯曲》中,就提了出来,而“吸积盘”这个看起来像两个蛋挞扣在一起的造型,则是因为气流碰撞结合在一起,在离心力的作用下围绕黑洞螺旋式下落,在旋转中形成一个盘状物。
索恩最后递给诺兰的答案是一份长长的备忘录,上面写满了参考文献和方程,看起来就跟《 Nature》上的论文差不多。诺兰的视觉效果团队基于这些公式写了新的渲染软件,然后将虫洞制作了出来,效果令人惊叹不已一这个虫洞就像是魔法师手里的水晶球,映射着大千宇宙的奇妙景象。当索恩谈到他最喜欢的天体物理学内容(比如黑洞的碰撞时间的弯曲)时,会运用大量的类比(如比作两个龙卷风相遇,或者将光线线的弯曲比作风中的稻草)。但是这些类比还是有点抽象了,直到《星际穿越》的诞生,绝大多数观众才发现虫洞黑洞、扭曲的光线是如此壮丽瑰奇。
引力波的存在,早在1916年便已经由爱因斯坦预言,当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空,并产生从该源头发出的时空涟漪。这种“涟漪”将以光速穿过宇宙,携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。1936年,爱因斯坦写了一篇论文说引力波并不存在,当时这篇论文已经投给了《物理评论》,然而进行评议的数学家、普林斯顿大学物理学教授霍华德·P罗伯森发现了其中一些错误,于是文章被杂志退了回来
爱因斯坦对自己的文章竟被拿去评议感到十分愤怒,准备把它发表到到《富兰克林研究所杂志》,这个杂志马上就接受了,准备原文照发。这时候罗伯森教授找到爱因斯坦的助手,跟他说爱爱因斯坦那篇论文是错误的,要他去说服爱因斯坦。爱因斯坦最终被说服了,急忙给《富兰克林研究所杂志》写信要求暂缓发表论文,随后寄去了修改过的论文,论文的结论变成了“引力波是存在的”。在论文注释中,爱因斯坦感谢了罗伯森教授的指正。
1969年,马里兰大学帕克分校的物理学家约瑟夫·韦伯发明了“韦伯棒”3大约2米长和1米直径的铝合金圆筒,当被引力波击中时,它就“响了”。当然,实际的情形可要复杂得多,“韦棒”往往探测到的是各种噪音。虽然物理学家们普遍不看好引力波探测(因为引力波非常微弱),但因为韦伯几乎是当时仅有的行动者,他还是引起了人们的一些兴趣,基普·索恩也是这时候加入引力波探测的队伍的。据说在整个20世纪60年代,广义相对论会议上一句常用的问候就是:韦伯探测到引力波了吗?
可惜的是,引力波一直未能在实验上直接被检测到。反而是对脉冲双星PSRB1913+16的研究,间间接地证明了引力波的存在。美国人约瑟夫·泰勒和拉塞尔赫尔斯于1974年发现了PSRB1913+16(他们也因此获得了1993年诺贝尔物理学奖。这个双星系统公转周期的逐步减少,与能量的消失有关,而消失的能量转化成了引力波
1984年,加利福尼亚理工学院的物理学家基普索恩和朗纳德瑞福,与麻省理工学院的莱纳魏斯在激烈竟争之后,提交了联合设计、使用“激光干涉测量技术”的探测器寻找引力波的计划。美国国家科学基金会(NSF)在1990年批准了LIGO的建设,并在1992年为实验的双探测器选择了两个地点:华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿。这两个设施于1999年完成,并于2001年开始收集数据。2010年,探测器关闭升级,
这期间没有发现任何引力波的迹象。在2010年与2015年之间,工IGO经历了大幅度改良,升级后的探测器被称为“ ALIGC”,于2015年再次开启运作。2016年2月11日,LIGO科学团队宣布,人类首次直接探测到引力波,所探测到的引力波源自双黑洞合并,两个黑洞分别估计为29及36倍太阳质量。同年6月15日,LIGO又表示,第二次直接探测到引力波。今年8月17日,LIGO第次直接探测到来自双中子星合并的引力波信号。这些探测结果,更加证实了广义相对论的正确。