引力波:带人类探索星际的时空涟漪

正月初五是中国传统迎财神的日子。但2016年的这一天,不仅中国,全世界的物理学界都沸腾了,仿佛迎来了它们的“财神”——在一波又一波传言后,终于!北京时间2016年2月11日23:40左右,激光干涉引力波天文台(LIGO)负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布,人类首次发现了引力波。被预言已经百年的引力波,终于被探测到了。

不由得让人感叹:科学之瑰丽壮观,它所有的迷人之处,是简洁、优美、可以理解。这种超越人类经验的存在,超越感官可触及的东西,却能被人类认知。探寻真理之路让人沉醉。

那么,问题来了:引力波究竟是啥,这一发现为何如此轰动?引力波研究有何意义?它将给人类带来怎样的改变?下面就由小编来带大家了解一下关于引力波的那些事儿。

引力波也被称为重力波,引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递的一种方式。如同电荷被加速时会发出电磁辐射,同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射,这是广义相对论的一项重要预言。

引力波与流体力学中的重力波很相似,当液体表面或内部液团由于密度差异离开原来位置,在重力(gravity force)和浮力(buoyancy force)的综合作用下,液团会处于上下振动以达到平衡的状态。即产生波动。引力波则是由于空间质量和速度的变化导致空间产生的波动。

天外飘来引力波

对于“波”,我们并不陌生,生活中时常会听到无线电波、电磁波、声波、光波等等,引力波也是波的一种。

既然称之为引力波,它必然与引力有关。所以,在更深一步了解引力波之前,我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果,意识物体之间普遍存在的一种力,称之为“引力”,并且将其数学化,这就是我们熟知的万有引力。万有引力认识的精髓是物体质量的存在导致了引力,这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。直到1905年狭义相对论发表,再到1915年广义相对论的发表,爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法,引力是因为质量对于时空造成了变形所导致,而非质量之间的吸引。这就意味着,我们时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以引力波,简单来说,就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波(或者电磁波),它仅仅是在时空之中传播的,时空是它的媒介。

说了这么多概念性的东西,可能各位看的有点头昏了吧,那么小编就用一张图来简易的解释下这个物理学概念吧。

100年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在,但同时认为引力波本身十分微弱,因此几乎不可能被发现。从那时起,全世界的科学家都在试图与引力波来一场“不期而遇”。
而今,引力波的发现验证了爱因斯坦的预言。如果引力波不被发现,爱因斯坦的理论就如同缺了一条腿的凳子,是有漏洞的。引力波的发现,拟补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞,也确定了他的理论的正确。

同时发现引力波有助于探测到宇宙中发生的爆炸性大事件,比如黑洞融合、中子星事件、超新星爆炸,甚至是138亿年前导致宇宙诞生的大爆炸。引力波的出现有可能促使天文学进入新的时代,它携带着不同于光和电磁辐射等方式传递过来的有关遥远天体的信息。

此外引力波的发现也会与当年的发现X光一样,它将成为工具。有了这个工具,我们可以利用引力波的观察,去观察遥远的宇宙的现象。发现暗物质、时空穿梭等等才是有可能实现的事情。如果没有引力波,以我们现有的技术是做不到这些科幻世界才有的事情的。

下面列出列出LSC内部几位科学家对此事件的评论来让各位看看引力波发现的意义吧

“爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测,并且他从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。”——马克斯·普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所)所长艾伦(BruceAllen)

“通过这项发现,我们人类开启了一场波澜壮阔的新旅程:一场对于探索宇宙那弯曲的一面(从弯曲时空而产生的事物和现象)的旅程。黑洞的碰撞和引力波的观测正是这个旅程中第一个完美的范例。”——索恩(KipThorne)

“引力波的直接探测实现了50年前就设定好了的伟大目标:直接探测难以捕捉的事物,更好地理解宇宙,以及,在爱因斯坦广义相对论100周年之际完美地续写爱因斯坦的传奇。”——加州理工学院,LIGO天文台的执行官莱兹(DavidH.Reitze)

“这项探测是一个是时代的开始:引力波天文学研究领域现在终于不再是纸上谈兵。”——LSC发言人,路易斯安那州立大学物理与天文学教授冈萨雷斯(GabrielaGonzález)

“在《星际穿越》和《三体》中,都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段,这也许只能是美好的幻想,但对于天文研究而言,引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风,就带来了一个重大的信息:极重的恒星级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间(10亿年)内并合。这是让我们始料未及的。谁能知道在将来的更多的探测中,LIGO和一众引力波探测器能带给我们什么样的惊喜呢?”——马克斯·普朗克引力物理研究所、清华大学博士后,胡一鸣

千万不要觉得引力波是一个高深莫测的东西,至少在一些耳熟能详的文化作品里,你早就已经对引力波的存在见怪不怪了。而这些作品中所提及到的引力波的作用可能带来的改变随着它被发现而一一实现改变人类的生活。

《三体》:作为通信工具的引力波

在去年获得科幻小说大奖的《三体》里面,人类用来和三体星人抗衡的武器,就是引力波发射装置。在小说故事里,主人公罗辑发现“黑暗森林”法则之后,威胁三体星人要将对方的星空坐标通过引力波广播出去,将对手暴露在更加凶险的未知敌人面前。三体星人因此就范,和人类达成了和平。

实际上,《三体》的作者刘慈欣并不只在这一部作品中引入了引力波的概念。在他的另一篇科幻小说《朝闻道》中,引力波同样成为了在宇宙间传递信息的工具:人类接触到的高等宇宙文明,就是通过破译引力波,获得了宇宙终极问题的答案。

刘慈欣在科幻小说《三体》系列中,让引力波成为了人类威慑三体人的通信工具。

引力波在刘慈欣的小说中,能够成为通信工具的原因,是它可以轻易地穿透物体,并且不会发生任何衰变。从这个角度上来说,刘慈欣对引力波应用的想象恰如其分。只不过对于我们人类来说,接收到的引力波信息来源并不是宇宙中某个具有高度智慧的文明,而是宇宙本身。

举例来说,昨天LIGO观测到的引力波爆发,就来自于我们从前从来没有观测到的双黑洞系统。LIGO的引力波数据显示,距离我们13亿光年的两颗黑洞在围绕对方的高速旋转中碰撞到了一起,合并成为了一个新的黑洞。这过程中发射出的能量,比整个宇宙辐射出的能量总量还要高出三倍。

《星际穿越》:引力波拯救了人类但电影里没说

利用引力传播信息的科幻作品不止《三体》一个。你一定记得在电影《星际穿越》结尾处,库珀在高维空间中干扰地球上的引力,给女儿留下了突破人类科学极限的关键信息的场景。但请别误会,虽然同样是通过引力变化传递信息,但电影这里的情况和引力波实在是八竿子打不着。

但这不代表电影和引力波没有关系。电影的科学顾问基普·索恩(Kip Thorne)在他的科普著作《星际穿越》(The Science of Interstellar)中,讲述了人类是怎样在观测引力波的同时,发现了那个足以拯救全人类的虫洞的。

LIGO的创始人基普·索恩(右)和《星际穿越》的导演诺兰(左),背景是电影中的布兰德教授用来演算的黑板

在索恩的设定当中,女主角的老师布兰德教授,年轻时就在观测引力波的LIGO工作。2019年的某一天,LIGO探测到了有史以来最强烈的引力波爆发。数据显示,这场爆发的源头是一个黑洞和中子星组成的双星系统,但引力波的来源却指向了太阳系之中的土星轨道。

黑洞和中子星围绕土星公转显然是不可能的事情。且不说在强大的引力作用下,土星可能会荡然无存,即便是太阳系中其他的行星,运转轨道也会在黑洞和双子星的干扰下遭到破坏。而我们的地球,则会变得时而离太阳极其接近,时而又运转到距离太阳非常遥远的位置。总之,人类在这种状态下,不是被太阳烤焦,就是因为缺少太阳的能量而被活活冻死。

但故事中的“现实”显然不是这样,对此唯一的解释就是土星附近存在虫洞。引力波在传播的过程中穿过虫洞,到达了太阳系,最终被LIGO系统捕获。

基普·索恩的科普著作《星际穿越》,其中讲述了人类在观测引力波时意外发现了虫洞的设定。

这个设定其实在《星际穿越》的剧本初稿中就有所体现。但诺兰兄弟在修改剧本的时候,不得不对影片中的科学信息有所删减,不至于让观众在观看电影的时候,“烧脑”得太过火候。

索恩在自己的书里对删减表示很遗憾,因为LIGO项目是在1983年,由他与麻省理工学院的雷纳·威斯(Rainer Weiss)和加州理工学院的罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)联合建立的。为了获得引力波的第一例观测,索恩制订了LIGO的计划和目标,用了20多年的时间才将其变为现实。

《星际迷航》没有提到引力波但还是和昨天的大发现有关系

在《星际穿越》上映的时候,索恩预计人类会在10年之内首次实现对引力波的观测,因此他在电影设定中,把发现虫洞的时间安排在了2019年。现在,我们比索恩的估算提早了3年。我们不难想象索恩此刻的心情。

至于引力波究竟对我们究竟意味着什么,索恩在解释《星际穿越》背后的科学原理时,言简意赅地表达了出来:

“到目前为止,人类对时空弯曲还不甚了解,几乎没有相关的实验和观测数据。这就是为什么引力波尤其重要的原因:引力波源自于空间的弯曲,所以它们是探索宇宙弯曲的理想工具。”

初看上去,或许这还是关于天文学的硬知识,但如果你是《星际迷航》系列的粉丝,就不难理解索恩为什么这样说了。

在科幻美剧和系列电影《星际迷航》里,各个太空文明的飞船,是通过“曲率引擎”在星际空间里来回穿梭的。这种引擎通过弯曲飞船前后的空间,达到光速移动,甚至超光速飞行的效果。

《星际迷航》中曲率引擎的原理,飞船通过弯曲前后的时空,达到光速飞行,甚至超光速飞行的效果。

虽然是上世纪60年代的科幻设想,但在上世纪末,科学家们发现,这种引擎其实并不违反广义相对论中“光速最快”的限制。而到2008年,美国贝勒大学的物理学家认为,人类可以通过巨大的能量实现对空间的弯曲,进而使曲率引擎成为可能。

既然曲率引擎存在的基础是改变空间,那么我们无法不去畅想人类通过引力波学习、探索时空弯曲,并加以利用后的世界会变成什么样子。虽然光速旅行甚至超光速旅行的设想仍然是停留在文字上的思想实验,但数百年后,万一它实现了呢?

人们常常会问,如果不能生产更快的汽车或更好的手机,像引力波这样的科学研究有什么用处,而且花费巨大。像LIGO项目,美国国家科学基金会先后投资11亿美元。其他国家的大型引力波探测项目,投钱也不少,比如中国的“天琴计划”,牵头研究的中山大学称,计划投资约150亿元。

事实上,最前沿的科学在初期看上去都像魔法。引力波离应用阶段还很远。包括时空旅行、星际通信这样的科幻设想还早得很。但是不要忘记,电磁波的发现最终使人类有了无线电通信和手机,在狭义相对论中质能关系理论指导下,科学家最终制造出了原子弹、氢弹和核反应堆,卫星定位等技术也借助了狭义相对论的知识。基础科学研究可以带给人类什么?它带给人类无穷的可能。

最后,我们来看几个小故事回顾一下引力波的发现吧:

1伽里略和铁球的故事

故事发生在17世纪前半叶,质量不等的两个铁球同时落地。

人们开始获得关于引力的正确观念。

2牛顿和苹果的故事

万有引力是一项伟大发现。牛顿力学解释了物体的运动,更确切的说,解释了物体的运动状态改变的原因。

人们开始正确的认识和研究地球以及太阳系的运动。这时是17世纪后半叶。

3爱因斯坦和时间的故事

20世纪初(1905年和1915年),爱因斯坦先后提出了狭义相对论和广义相对论的理论假说,把“时间”作为一个维度(第四维),纳入到有关宇宙的认识体系中(在此之前的理论都仅讨论空间,即三维),提出了“时空”的概念。

4相对论的故事

在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率)——由于引力的存在,时空于是是弯曲的。于是可能产生虫洞,于是可能发生虫洞连通,时空中连接两点的最短路径不再沿着时空的表面运动,时空隧道(捷径)出现了。

5引力波的故事

100年前,爱因斯坦预言了引力波的存在,并认为在宇宙背景上,引力波过于微弱无法探察。50年前,科学家们开始致力于引力波探测。如今,人类接收到一个不到1秒钟的信号——两个绕转着、靠近、拥抱彼此的黑洞发出的巨大引力(3个太阳当量的能量),造成时空涟漪,历经13亿年,传到了地球。

人类在探寻真理的征程上,又前进了一步。

宇宙总在洪荒里,安静的、孤独的、唯美的……

人类终究要走出太阳系、奔向那寂静的星河深处……

以一个读者在一篇科普文章下的评论来结束本文吧:“多年以后,面对浩瀚星海,远航的星舰文明将会回想起2016年2月11日,人类公开宣布首次探测到引力波信号的那个遥远夜晚。”

来源: 中国江苏网

 

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