100多年后,爱因斯坦都不相信的事实现了

上海科技馆 2020-09-17 17:23

在生活中有着各种波动的存在,有的是可以触碰的粼粼水波,有的是耳朵聆听的阵阵声波,还有的是肉眼可见的光波。


但是你们知道吗?宇宙无垠时空中还荡漾着一种无处不在的时空泛起的涟漪,那就是引力波。


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在五年前的九月,人类首次探测到了宇宙中的引力波信号,而在今年的九月初,我们又探测到了迄今为止最大的黑洞合并事件所发出的引力波(一个65倍太阳质量的黑洞和一个85倍太阳质量的黑洞合并形成一个142倍太阳质量的黑洞)。


图源:LIGO


在这个值得纪念的九月,就让我们一起来揭秘引力波的前世今生吧。



连爱因斯坦都做不到的事


1905年爱因斯坦提出了狭义相对论,描述了物体在接近光速运动时是如何运动的,狭义相对论推翻了经典的牛顿力学,把时间和空间联系成了一个整体。而在1915年,爱因斯坦则进一步提出了广义相对论,指出了物质的质量会导致周围的时空产生弯曲,而物质的运动则会导致时空产生涟漪,就跟水面上的行船会导致水波的产生一样。




爱因斯坦从理论上得到了引力波的结果之后,压根不相信这么细微的结果可以探测出来,所以直到爱因斯坦去世为止,他的广义相对论的其他预言,诸如水星近日点的进动,太阳附近的光线弯曲,都得到了实验的验证,唯独引力波的预言无法验证,因此引力波被看做是广义相对论的最后一块拼图。



一根“大棒”敲开了引力波探测的大门?


事情在1969年出现了转机,一个叫做约瑟夫·韦伯的头铁人士偏偏不信邪,设计并且建造了人类的第一个引力波探测器,这是一根真空的铝棒,后来被命名为韦伯棒。他宣称自己探测到了银河系中心的引力波信号,这引起了学术界的一片震惊,然而随即被科学家们指出他的实验中不合理之处,认为他的观测是错误的。


韦伯棒 图源:wemedia.ifeng.com


韦伯直到去世都相信自己的结果是正确的。虽然他的探测结果存在问题,但是正是他的勇敢行为打开了人类探索引力波的大门。在真正的引力波信号被发现之后,科学家团队还去专门慰问了韦伯的遗孀,对这种敢为天下先,不折不挠的科学精神表达致敬。


诺贝尔物理学家得主乔治·斯穆特,在国际学术大会上用“臣妾做不到”六个字形容韦伯和他的探测装置


几年后的1974年,有两位科学家发现两个相互绕转的中子星逐渐丧失能量,相互靠近。广义相对论预测的引力波涟漪向外荡漾,也会把能量带走,这与观测的结果符合,于是这就成为一个对引力波的间接验证,这两位科学家也因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。


左:约瑟夫·泰勒;右:拉塞尔·赫尔斯

图源万维百科


虽然有间接证据证明引力波的存在,但是科学家仍然想直观地探测到引力波。其中美国加州理工学院和麻省理工学院合作建设了一个名为激光干涉引力波天文台(LIGO)的装置用于探测引力波。LIGO由两条相互垂直的L型真空管道组成,每一条真空管道都长达四公里。


LIGO装置的航拍图

图源:xnnews.com.cn


当引力波经过LIGO的时候,由于引力波引起的时空波动会导致物体在垂直的两个方向上产生不同的伸缩,科学家运用了光速不变的原理,并通过精密的光学仪器来观测这两条干涉臂产生的长度变化,从而探测引力波的存在。


LIGO装置示意图

图源:MIT video Productions


这种长度变化是很微小的,只有质子的万分之一大小。这样的探测精度在爱因斯坦的年代是难以想象的,这也难怪爱因斯坦到去世之前都不相信人类可以探测到引力波。


2016年2月11日,LIGO团队宣布在2015年9月14日探测到了人类发现的首个引力波信号,这是由13亿光年以外的两个大质量黑洞合并产生的,而后的两年间,LIGO又先后探测到了三次引力波信号,他们也都是由黑洞合并产生的。


10 亿光年外,两个质量巨大的黑洞发生碰撞合并形成一个更大的黑洞,碰撞前的一刹发出了引力波


而在2017年8月17日,LIGO探测到了一个特殊的引力波信号,它是由两个中子星合并产生的,这个发现特殊在,双中子星合并是可以产生电磁波信号的,人们在引力波信号产生的位置又先后发现了伽马射线暴以及千新星信号,这标志着人类可以同时观测到引力波和电磁波信号,多信使天文学时代正式拉开了帷幕。


双中子星合并产生大量电磁辐射的过程

图源:www.microbell.com



探测引力波到底有什么用?


引力波现在的应用主要还是在天文观测中,因为只有宇宙中大质量天体的运动才能够引起足够强的引力波让我们探测到。可以引起引力波的天体有互相绕转的双星系统,自转的非对称天体,超新星爆发等,以及前面提到过的双黑洞以及双中子星合并。


引力波跟传统的电磁波相比有一个特点,就是在传播的过程中非常难以衰减,这使得我们观测到的引力波很大程度上可以反映引力波源的物理信息。我们的宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸,大爆炸过后宇宙经历了一次急剧膨胀的过程,这个“暴胀”的过程中也会产生引力波,称为原初引力波,如果能够探测到这些原初引力波,将会帮助我们了解极早期宇宙的真相。


宇宙膨胀历史示意图

图源:zhuanlan.zhihu.com



人类向宇宙进军的希望火焰


虽然在地面上已经探测到了引力波,但是人类的好奇心可不止于此,我们可以在太空中观测到天体质量更大,距离更遥远的引力波波源,发现更多有趣的天体物理过程。因此人类把引力波观测的下一步放在了太空,美国航空航天局(NASA)和欧洲航天局合作推进LISA计划,计划于2034年向太空发射三颗卫星,在太空中探测引力波。


在引力波探测在国际上开展得如火如荼的时候,我们国家也不甘落后,推出了自己的引力波探测计划。中国科学院院士罗俊在2014年提出了在太空中进行引力波探测的“天琴计划”,计划于2035年前后在地球轨道上部署三颗卫星,组建空间引力波探测天文台。



天琴计划的卫星编队示意图,SC1,SC2,SC3为计划发射的三颗卫星

图源:中山大学天琴中心


除此以外,我们国家还开展了“太极”计划探测空间引力波,以及“阿里”计划探测宇宙早期的原初引力波。


引力的波动穿过无垠的时空,不断激荡在人类汹涌的血脉之中,点燃了人类向宇宙进军的希望火焰。愿人类的文明之火与引力波一起传播到宇宙时空的每个角落,生生不息。



作者:黄驰,中国科学技术大学天文系硕士毕业生,一个现实的理想主义者,热爱电影、骑行的物理老师。

鸣谢:上海天文馆(上海科技馆分馆)施韡为本文提供科学指导。



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