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引力波到底是什么?为什么发现它就能获得诺贝尔奖?


这次的诺贝尔物理学奖有一个特殊的意义:百年的现代物理学,今天终于做了一个了断!
现代物理学建立的标志当然是一百年前建立的相对论和量子力学。随着量子力学以及基于量子力学的粒子物理标准模型的发展,相关研究在诺贝尔物理学奖历史上获奖层出不尽,相信以后还会有。这些诺贝尔物理学奖标志着量子力学走向了成熟,虽然今后还会发展,但是其正确性已经毋庸置疑。
与此形成鲜明对照的是,广义相对论建立一百年来虽然已经成为了现代物理学的主要部分,而狭义相对论更是和量子力学一起构成了现代物理的两个支柱,但是历史上不但爱因斯坦没有因为相对论而获得诺贝尔物理学奖,后来对于丰富广义相对论而做出了很多贡献的物理学家们也无人因此获得过诺贝尔物理学奖,这和量子力学以及相关的物理学研究的情况相比有天渊之别,这不能不说是物理学史和诺贝奖历史上的一个遗憾!
对引力波的直接探测的历史起于上世纪70年代,今天的LIGO项目的创始人之一Rainer Weiss(雷纳·韦斯)那时候就开始发展激光干涉探测引力波的技术,随后和加州理工学院的Kip Thorne(基普·索恩)以及当时英国Glasgow大学后来加入了加州理工学院的Ronald Drever(罗纳德·德雷弗,今年3月份不幸因病去世)合作一起发起了LIGO实验)该实验是美国科学基金会有史以来投资最大的科学项目),历经30多年,终于获得了第一个正科学结果,也就是探测到了引力波!不但这个团队几十年来初心不变,而且资助机构也不离不弃,这绝对是科学史上的奇迹!
因此,2017年的诺贝尔物理学奖授予了LIGO实验直接探测到并且发现了引力波,不但是众望所归,而是也对百年现代物理学做了一个了断!从今往后,扩展广义相对论理论并且发展和量子力学统一的量子引力理论的研究将进入一个新的时代!
虽然这次的诺贝尔物理学奖对百年现代物理的发展做了一个了断,但是这对于引力波探测以及相关领域的研究却仅仅是一个开始!探测到引力波之前,人类对于宇宙的了解只是“看”,但是不能“听”!探测到了引力波,人类从此面对宇宙就不再是聋子了!
引力波将成为科学家进一步探索宇宙和发展科学理论的有力工具。利用进一步的更加高精度的观测,科学家有望回答黑洞到底是什么这个连爱因斯坦都非常困惑的”奇点“,能够提供检验有些量子引力理论所需要的观测数据,能够帮助我们了解中子星的内部主要是由中子还是夸克组成的。
除了继续利用LIGO这样的仪器探测引力波之外,空间激光干涉引力波天文台(比如欧洲的LISA项目、中国的太极和天琴计划)将会“听到”完全不同类型的黑洞撞击并合所发出的引力波,这对于我们理解整个宇宙的结构形成和演化都会非常重要。而探测宇宙大爆炸前期的暴胀过程所产生的宇宙原初引力波(比如利用中国的“阿里”原初引力波探测计划),将对于我们理解宇宙的起源起着不可替代的的作用。
此外,未来引力波天文学的一个极为重要的方向就是所谓的“多信使”天文学,也就是不但要“听到”天体发出的美妙的引力波,我们也要“看到”这些天体的倩影!在这个方面,中国在太空和地面的天文望远镜都将能够发挥重要的作用,比如我本人担任首席科学家的慧眼HXMT天文卫星正在太空翱翔,时刻准备着“目睹”引力波发出的时候天体所发出的X射线和伽马射线!

  • 这一探测证实了阿尔伯特·爱因斯坦1915年发表的广义相对论的一个重要预言,并开启了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。

  • 清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组参与了引力波直接探测并作出贡献。

  • 中国亟需自主建设引力波天文台、培养跨领域人才、加强国际合作,进而带动技术创新和科学发现,推动我国引力波研究的发展。

在各界对2017年诺贝尔物理学奖的预测中,引力波领域都是最大热门,获奖可以说是众望所归。遗憾的是,在LIGO的三位最初发起者中,加州理工学院物理学荣休教授罗纳德·W.P·德雷福(Ronald W.P.Drever)在今年3月6日于爱丁堡逝世。

如今,Rainer Weiss、Kip S.Thorne、Barry Barish三人凭借对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献(for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves)获奖,也算可以告慰爱因斯坦、约瑟夫.韦伯、德雷弗等历代先贤在天之灵。

所谓LIGO系统,是由两个相距1865英里的孪生探测器组成。每个探测器拥有两个长4公里的L形真空管,科学家会在其中发射激光束。

随着激光束到达真空管的末端,它会碰到镜子并被反射回相反的方向。在所有条件一样的情况下,两束激光理应在同一时间返回发射源。由于干涉效应的作用,这会让射向光子探测器的光线相消。

然而,如果引力波通过了探测器,根据阿尔伯特·爱因斯坦在100年前做出的预言,这种波会拉伸一个真空管的长度,同时收缩另一个真空管的长度,从而破坏上述完美的干涉相消机制,让光线到达光子探测器。

如今,大约有950名科学家参与了LIGO的研究工作,他们来自全美各地以及另外15个国家的大学院校,曾经光临造就做专题演讲的曹军威,就是国际激光干涉引力波天文台(LIGO合作组织)的中国负责人。

曹军威

对于引力波领域获得诺奖的消息,曹军威回复:

“这一探测证实了阿尔伯特·爱因斯坦1915年发表的广义相对论的一个重要预言,并开启了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。

清华大学信息技术研究院LIGO科学合作组织工作组参与了引力波直接探测并作出贡献。

中国亟需自主建设引力波天文台、培养跨领域人才、加强国际合作,进而带动技术创新和科学发现,推动我国引力波研究的发展。

以下是曹军威在造就关于引力波的精彩演讲:

各位朋友下午好。我叫曹军威,来自清华大学。我是国际激光干涉引力波天文台(LIGO合作组织)的中国负责人。我今天演讲的题目叫《你所不知道的引力波之美》。我2004年加入美国麻省理工学院激光干涉引力波天文台的实验室,2006年回国,在清华大学创建了LIGO工作组,2009年我们加入LIGO。我们加入这个组织工作了6年之后,在2016年2月11号,国际LIGO合作组织宣布直接探测到“引力波”。

今天我们想跟大家主要介绍三个方面的问题。

  • 什么是“引力波”?

  • 我们怎么探测“引力波”,为什么很难探测?

  • 为什么我们认为探测到的是“引力波”而不是其他?

从科学工作者的角度,我会给大家一个非常详尽的介绍。什么是“引力波”?“引力波”从哪来?到底科学家直接看到了什么?我们直接看到的是这样的一个波形。

这两个波形在距离3000公里的美国两个激光干涉引力波天文台被同时监测到。距离3000公里,光从一个天文台走到另外一个天文台的速度是10毫秒。实际上这两个波形它们之间相差了6.9毫秒。当我们把一个模型平移了6.9毫秒以后,把两个曲线重合起来,大家可以看到关键的部分有非常高的重合度。这个就是我们观测到的引力波的信号。

讲“引力波”的时候,我们会说听到了宇宙的声音。很多年前我们有了望远镜,我们说这叫看到了宇宙。当引力波信号输入到音频以后,我们能听到什么?

最后一下,我们能听到“Biu”的一声,在频率上它已经非常非常突出了。所以我们说听到了“引力波”的声音。

“引力波”从哪里来?

双黑洞。

大家可能都听说过黑洞,它的质量很大,连光都逃逸不了。只有大质量的物体在剧烈的天体运行中,我们才有可能探测到“引力波”。这对双黑洞的并合经过了三个过程,第一个过程是旋进,过程中放出“引力波”。放出的能量使得它们旋进的速度越来越快,它们的距离也越来越近,当它们近到一定程度以后,两个黑洞就会碰撞到一起。第二个过程是碰撞,实际上就是一个“引力波”发射的过程。第三个过程是衰减,它们形成了一个新的黑洞。这就是我们观测到的“引力波”的一个波源,我们称为“双黑洞合并”。

这个过程释放了“引力波”的意思是:有超大质量的物质,通过运动对引力场做了搅动,引力场中间的波动我们称为“引力波”。双黑洞合并释放“引力波”这个过程,不仅仅是两个黑洞在旋绕,还包括了它周围引力场的变化。它们合并以后,会释放大量的“引力波”,我们称为“引力场中的波动”,这种波动携带了巨大的能量。

什么是“引力波”?

这要回到1915年爱因斯坦的广义相对论。

广义相对论想在几分钟之内跟大家讲清楚,是一件不太可能的事情。不过可以给大家说一个最基本的概念:物质和时空是互联的。无论是这么大的天体还是一个人,都是一个物质的存在。而物质存在的同时,周围是有时空把物质联系在一起的。

最直观的解释就是太阳和地球之间的关系。

为什么地球会绕着太阳转?牛顿的解释是因为万有引力。

引力是一个超距作用,引力和质量成正比,和距离成反比。爱因斯坦则从另一个角度来解释。他不相信引力的传播会是超距作用。他认为如果有一天太阳突然消失了,地球会怎么样?地球可能就会飞出去。地球怎么会知道太阳消失了呢?它为什么会飞出去?爱因斯坦就解释,太阳如果消失了,它的引力场就会变化,这件事通过引力场的变化传递给了地球,地球知道太阳消失了,于是它就飞出去了。这个关系叫物质引导时空弯曲。

我们刚才讲了,有物质的同时,还有一个场的存在。而这个场就是时空。太阳因为质量很大,他把时空做了弯曲,地球并不是心甘情愿围绕太阳转,它以为自己在走直线,但是它实际上受到太阳所形成的时空弯曲的引导。时空引导物质运动,所以地球会围绕太阳转。物质跟时空是互联的,这个互联就体现在“引力波”和能量的交换。在正常情况下不同时空之间很难发生作用。但在极端的天体条件下,比如我们这次探测到的黑洞并合的瞬间,发出了巨大的能量,以波的形式,从其他时空传递过来,到达了地球。

在广义相对论的基础上,爱因斯坦于1916年预言了引力波的存在。

他认为任何加速运动的物质都会发出引力波。也就是说我跑两步,你走两步也可以有引力波,但这个引力波强度非常微弱,很难探测出来。

引力波会对时空产生什么样的作用?

在多极的情况下,它在一个方向上会拉伸时间和空间,在另一个方向上会压缩时间和空间。

这个怎么理解?

形象的理解就是:一张桌子,你用普通尺子去量,它是1米长。但如果尺子变了,你去量的时候,发现了这个桌子的长度也变化了。

引力波导致的是尺子的变化而不是物质的变化。

双黑洞合并导致时空弯曲,释放出这个引力波的过程中,如果我们把时空的效果再加进去,会是一个什么样的情况?

我们附加了下边这条线,是我们探测到的引力波的实际一个曲线。这是在不到1秒的时间内发生的一个事件:两个黑洞已经非常非常接近了,它们的旋进导致引力波的放出,然后旋进越来越近。大家能看到不仅仅是两个物质间的运动,实际上是它们时空之间的相互作用。

当时空的弯曲作用逐渐接近,进入到非常剧烈的一个并合过程,在很短的瞬间释放出了巨大能量的引力波,使得这两个黑洞并合在了一起。这就是我们探测到的过程。

为什么引力波很难探测?

一是因为引力波源距离我们很远,二是即便有引力波,它跟物质的相互作用极小,一个引力波扫过你,你可能根本就没有任何的感觉。在地球上一个氢弹的爆炸,所产生的引力波的量级是10的负27次方时空上的变化,这是我们无论如何也探测不到的。必须有大质量天体的极端运动,才能产生足够让人类现在能探测到的引力波。这个量级有多少?

我们这次探测到了在10的负18次方时空里,有四个格之间我们发现了其中一格的空间晃动了一下。为了探测到这个信号,我们建造了一个激光干涉引力波天文台,它台的臂长有4公里长,两个臂是垂直的,都有4公里。这里能看到光学的激光器件,信号是从这里被探测到。

这个天文台的基本工作原理是:一束激光打出来,翻成两束,再反射回来,如果两臂绝对等长,那在成像仪上就没有信号。如果由于引力波的作用使得一个臂压缩,另一个臂拉伸,那就会在这个成像仪上产生信号。

时空都是相对的,唯有光速是绝对的,所以我们要借助激光这个媒介来测量空间的弯曲。我们来回放一下:我们想象的宇宙空间里,有着像水波纹一样的时空分布。

如果这里面有像黑洞这么大的物质,开始在里面对时空进行搅动的话,它就会不断地释放出引力波,这个引力波是在物质周围,跟物质联系在一起。旋转越快、越近,引力波放出的能量就越大。最终这两个黑洞并合在了一起。

经过我们后面的推算,我们探测到的这个引力波信号,发生在13亿年前,经过了很多很多星系,最终来到了地球,这个过程只有一秒的时间。

而我们就在这一秒的之前的一个礼拜,把两个天文台做好了,刚刚好可以达到能探测到它的精度。

所以你说幸运不幸运?你说美不美?通过我们的波形,推算出这两个黑洞的质量,一个相当于太阳质量的29倍,一个相当于太阳质量的36倍。并合以后的黑洞是62个太阳质量。也就是说在不到1秒里面,有三个太阳质量的能量,瞬间从物质导入了时空,产生了一个巨大的引力波。

大家可以想象这个量级:太阳已经存在了45亿年,而且还将存在45亿年,它生命全过程中释放出来的能量,供地球用都用不完。

而三个太阳质量的能量,在不到一秒钟的时间内释放了出来,经过了13亿年传到了地球,我们才有机会在不到1秒的过程中捕捉到它、探测到它,这就是事件全过程。

为了做到这件事,我们的探测器达到了很多人类所能达到的技术极限。

第一是探测臂外面有一个罩,里面是一个真空腔,这是全世界最大的真空系统,4公里长。而且我们等于有两个这种真空系统,它们在中间交叉了一下。因为真空能避免各种分子运动在空气中的干扰,所以我们要在真空里才把激光束打出。

我们打的激光也不能是一般的激光。必须是能量高又稳定的激光才能实现精密测量。反射这激光的镜面必须质量非常好,激光打上去以后,由于热运动镜面开始变形,而必须排除各种干扰,我们才能探测到10的负18次方这样的精度,所以这个镜面也是特殊制造的。

悬挂这个镜面的机械装置是最稳定的一个振动隔离系统,外边不论怎么振,这个镜子必须不动。

最后,我们需要一个数据的采集和分析系统。我本人是计算机专业出身,所以我更多的工作是放在这个系统上。2015年9月14日,5点51分,这个信号被捕捉到,进入到我们的数据分析系统。

9月14号5点54分,在3分钟之后,我们在线的程序流水线就发出了警告,告诉我们有这样一个信号值得关注。这个程序流水线的名字叫Coherent WaveBurst,它做了一件非常简单的事情:计算这个波形的能量变化。发现在两个天文台捕捉到这样的能量变化,而且时间差距在10毫秒以内,我们就把这个信号提取出来。认为这可能是一个引力波信号。前面我们既讲了什么叫引力波的基础理论,又讲了我们怎么探测到引力波。

下面我就讲一下,为什么我们这么确信这个信号就是个引力波,而不是其他的东西?

我们把收集到的16天的数据都输入到这张图里面去,大家可以看到,左边是代表我们所有的信号的背景,右边这个点就是我们探测到的信号。探测到的信号,远离我们整个数据的背景,远离的程度是多少?它的信噪比在23以上,它在天文上的标准显示度达到了5.1σ值。在天文上,5以上我们认为就是一个新发现。我们没有机会对黑洞放出的引力波做实证的对比,因为我们现在还没有任何方式能观测到黑洞。那么我们做了一个仿真的对比。

上面是一个黑洞并合的过程,这个红线叫数值广义相对论的一个仿真曲线,这个灰线是从第一张PPT的数据中重构出来的——一个我们认为是引力波的曲线。大家能看到这两个曲线的相似度在99%以上。在旋进并合到渐退的过程,它从35赫兹到350赫兹,在不到一秒的过程中剧变然后消退。这不是一个普通的噪声所能伪装出来的信号,一个噪声想伪装成这样的一个信号的概率,20万年才会有一次。这件事加强了我们的信心。通过这样一个对比,我们非常有信心:这是一个引力波的信号。

这项工作,有来自全世界一百多个科研机构的上千名科学家参与。从90年代开始建设天文台,到现在探测到引力波,历经20余年,清华大学是中国的唯一的参与单位。

这件事的理论意义,我想用这句话是最准确的概括了:

引力波的探测,是爱因斯坦在1915年提出的广义相对论在最极端最严格情况下的一个验证。

等于说是填补了广义相对论四大验证中最后的一块板块。在天文上的意义在于说我们开始能够听到宇宙,打开了一扇探索宇宙的新窗口,开启了引力波天文学的一个新时代。

未来的工作很简单,这张图标识了我们用两个天文台来定位引力波源的一个精度。这个精度还是很粗糙的,它不足以支撑我们未来精确的引力波天文学的研究。

未来我们要建设全球的引力波探测网络,这样的一个网络在美国已经运行,在欧洲和日本建设,甚至在印度也开始筹划,中国也在紧锣密鼓的计划中国主导下的引力波天文台的建设。

很多人都问我,你这个东西有什么用呢?

现在我可以明确地告诉大家,没有现实意义上能挣钱的应用。但是我想最起码在刚才的几十分钟里,它给我们了一个机会,让我们大家在一起去仰望星空。

引力波到底美不美?从刚才我给大家介绍的一系列数字之中,大家可以来想像自然和宇宙是如此的神奇。

13亿光年,65个太阳质量,在一秒钟之内放出了这么大的能量,而在10的负18次方的量级上探测到引力波的存在。

实际上我想讲的并不是自然有多神奇,我更想强调的是,人类居然能够理解这件事,是不是更神奇?

居然有爱因斯坦这样的人,在100年前就写下了方程,预言到了这件事。而在100年后,居然有人就能做出这样的仪器,把它探测出来。所以我想到底美不美,大家每个人心中都有你们自己的一个答案。

很多人也问我,到底时空穿越,星舰文明有没有可能?我想没有不可能的事情。

在演讲的结尾,曹军威说:

如果有一天,我们有了远航的星舰文明,它将会回想和2016年2月11号这一天,人类探测到引力波。这是一个历史的起点,而不是终点。

造就说:

公元2017年10月3号这天也将会被永久铭记,人类正式开启了引力波天文学的新时代,形成引力波观测触发下的多信使天文学。

造就还曾经独家专访LIGO实验室首席探测科学家彼得·弗雷斯切尔,深谈引力波探测细节:

三位获奖者

基普·索恩(Kip S. Thorne)

基普·索恩是美国理论物理学家,担任加州理工学院费曼理论物理学教授,是世界上研究广义相对论下的天体物理学领域的领导者之一,他的主要贡献在于引力物理和天体物理学领域.很多活跃于相关领域的新一代科学家都曾经过他的培养和训练。

基普·索恩曾担任影片《星际穿越》的科学顾问,《星际穿越》上映前后,"诺兰的Group"会至少发两篇论文,一篇黑洞物理,一篇计算机图形。2016年5月31日,获得邵逸夫天文学奖。2016年12月4日,获特别基础物理学奖(共同获奖)。

索恩的研究方向主要为相对论天体物理学和引力物理,着重于对相对论性星体和黑洞,特别是引力波的研究。

对于公众而言,索恩最著名且富有争议的理论可能就是他关于虫洞或许能够作为时间旅行工具的假说。不过,索恩真正的科学贡献其实涵盖了广义相对论里以时空和引力本性为中心的几乎全部的话题。

长久以来,索恩给予了LIGO尽可能多的理论支持,包括指明了LIGO所要探测的目标波源,设计了光束管道中用来控制散射光的反射板。

他还和莫斯科的弗拉基米尔·布拉金斯基的研究小组合作研究开发了用于新一代引力波探测器的量子非破坏性测量(QND)器件设计,并提出了降低影响引力波探测器的主要噪声之一,即热弹性噪声的数种解决方案。

雷纳·韦斯(Rainer Weiss)

雷纳·韦斯,1932年出生于德国,麻省理工学院(MIT)物理学家,1966年便设想出一种探测引力波的方法,2015年9月1000名利用激光干涉引力波天文台(LIGO)开展研究的物理学家在两个巨大黑洞位于距地球10亿光年的地方相互围绕着旋转时,探测到其辐射出的脉冲波。2017年9月21日,获得第二届“复旦-中植科学奖"。

关于韦斯教授,造就曾发布过由《麻省理工学院新闻》(MIT News)做的专门访谈。(传送门 | 独家专访LIGO首席科学家:引力波可以用来发现外星人吗?)

巴里.巴里什(Barry Barish)

巴里.巴里什,加州理工大学教授,LIGO实验室现任主任,领导了LIGO建设及初期运行,建立了LIGO国际科学合作,他把LIGO从几个研究小组从事的小科学成功地转化成了涉及众多成员并且依赖大规模设备的大科学,最终使引力波探测成为可能。

业界先贤

约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)

约瑟夫·韦伯,美国物理学家。1969年,韦伯宣称,他已取得很多人认为是不可能的成就:探测引力波。这一宣布使人们立即对韦伯刮目相看,全美各地纷纷邀请他去做报告。但韦伯的名望很快遇到了挑战,越来越多的人开始怀疑他所得出的结果的正确性,展开旷日持久的大论战。

1969年底,韦伯在权威杂志《物理评论快讯》上列出一系列零时延迟事件的超出值,并声明这是真正的引力波迹象。这意味着,他探测到的每一个脉冲将意味着比人们所能想象得出的事件所爆发的能力还要高出几百万倍的引力波的闪烁。理论家们想象某个位于银河系中心的黑洞可能会发射出强烈的引力波。人们开始相信韦伯的结论,天文学家们着手寻找引力波的可见迹象,他们每年都要搜索成千上万颗恒星。

罗纳德·德雷弗 (Ronald W.P Drever)

罗纳德·德雷弗 ,美国加州理工学院物理学荣休教授。1931年出生于英国格拉斯哥,1953年于英国格拉斯哥大学取得理学士学位,并于1958年于该校取得自然哲学博士学位。2016年9月27日获邵逸夫天文学奖。2017年3月6日在爱丁堡安详逝世。

他在加州理工学院分别担任客座硏究员(1977)、教授(1979–2002)和荣休教授(2002–)。他是美国人文与科学院院士及爱丁堡皇家学会院士。

2016年9月27日晚,邵逸夫奖2016年度颁奖礼在香港举行。罗奈尔特·德雷弗、雷纳·韦斯、基普·S·索恩获得邵逸夫天文学奖,以表彰他们对“激光干涉仪重力波观测站”(LIGO)的构思和设计。LIGO最近首次直接观测到重力波,为天文探索开创了一个新方法,而它首先侦测到的非凡事例,是两个星级质量的黑洞合并。

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关于引力波一直以来不断的争议和不懈的探索,关注本号,你还可以回顾以下内容:

LIGO再次探测到引力波,人类有规律观测引力波的时代到来!

为什么发现引力波是真正的“年度科学突破”?

爱因斯坦是对的!科学家第三次探测到引力波

LIGO数据中浮现莫名噪音,震惊世人的引力波有可能只是乌龙?

LIGO的引力波探测毫无悬念地摘得了今年的诺贝尔物理学奖。那这个所谓的引力波到底是个什么东西呢。 我来试着用完全针对非物理专业的语言解释一下。

首先,如果想通俗的理解引力波,我们需要先回溯一下引力的概念。 在现代物理学的历史中,人们对引力的理解总共有两次巨大的突破。一次是牛顿的万有引力学说,它认识到一切有质量的物体都可以对周围的事物产生吸引作用。这个吸引作用随着距离的平方逐渐衰减。天上的天体由于受到附近大质量天体的吸引而做着圆锥曲线运动。这个简单的模型将天体的运动规律收纳到了牛顿力学的框架中,在那个宗教盛行的年代把天与地的规律统一在一起。

但随着近代测量科学精度的提高。人们开始注意到牛顿引力并不能对观察结果做到百分百准确的预言(比如对水星轨道的进动)。在上个世纪初,阿尔伯特爱因斯坦带来了引力理论的第二次巨大突破。这个新的理论叫做广义相对论。在这个框架之下,质量(和能量)会直接扭曲掉周围的时空。天体在被扭曲的时空中其实做的是最接近直线的运动。但这样的直线运动在我们的直观感受中却会感觉好像是做曲线运动一样。(如果不好理解,请想象一条从北京飞到纽约的飞机航线,这条航线走的是球面上的一条“直线”,但如果我们把这条航线画在平面世界地图上的话,它确是曲线。)

这个广义相对论虽然可能离我们的直观更远一些。但它所能预言的实验精度却远超牛顿引力。而且它的数学更和谐,同时与物理学的另一个重要理论--经典电磁学理论自洽。(牛顿体系却会与经典电磁学产生一些内在矛盾。)所以到现在广义相对论已经是物理学家公认的目前为止解释引力的最标准理论。

自然的,如果大质量天体可以扭曲时空。那么运动的大质量天体是不是可以动态的扭曲时空。从而使得时空就好像水面一样被不停搅动呢?

理论上是可以的。这样的搅动我们就称为叫做引力波。它是由于大质量天体的运动导致的时空曲率的涨落。

实验上呢?以前一直是不行的。因为引力实在是太弱了。比电磁力弱了10的36次方倍!

但LIGO做到了,他们利用了长达数公里的激光干涉仪,测量两个中子星互相盘旋互相吞噬成黑洞这样的极度剧烈的天体运动,终于第一次得到了比较受公认的引力波观测结果。所以这个诺奖真是几乎毫无争议的。

施郁

(复旦大学物理学系)

波是某种振动的传播,如水波、声波等。顾名思义,引力波就是“引力的波”。引力波超越了牛顿引力理论。

三百多年前,艾萨克·牛顿(Isaac Newton)说,任何两个有质量的物体之间存在万有引力,而且这个引力是瞬时的,也就说,物体之间引力的传递不需要时间。牛顿解释了为什么地球围绕太阳转,为什么树上的苹果会落地。

然而爱因斯坦1905年创立的狭义相对论指出,任何信号的传递不可能超过光速,时间和空间成为整体,称为时空。

十年之后,爱因斯坦又将引力纳入相对论的框架,创立广义相对论,指出万有引力就是时空的弯曲,由此决定物质的运动。用索恩的导师、美国著名物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)的话说,“物质告诉时空如何弯曲;弯曲的时空告诉物质如何运动。”物质之间的引力,需要时间来传递。

1916年,爱因斯坦根据广义相对论,预言了引力波。

引力源质量分布的改变,导致它对其他物体引力的改变,这种改变以光速传播开来,就是引力波。既然引力是时空弯曲,那么引力波也就是“时空的涟漪”,即时空弯曲情况随时间变化、在空间传播。引力波到达之处,在垂直于传播方向的平面上,任何长度都会振荡,而且在互相垂直的任意两个方向上步调相反。因为牛顿力学中没有引力波,所以引力波的观测也就验证了广义相对论。

LIGO探测到引力波,意义不仅在于直接验证广义相对论预言的引力波的存在,还在于开启了对强引力以及黑洞的直接观测,打开了认识宇宙的一个新窗口。

探测到引力波是人类历史上最重大的发现之一,因此可以获得诺贝尔奖。

LIGO激光干涉引力波探测器是目前地球上长度最长的地面引力波探测装置。除了LIGO,在欧洲还有Virgo,在日本还有KAGRA等规模小一些的地面引力波探测激光干涉仪,而且印度也将投资建设LIGO-India地面引力波探测激光干涉仪。

这些引力波探测器都将探测到引力波。

那么,引力波到底是什么呢?

其实很简单,时空的扭曲振动会产生引力波,正如一块钢板的振动会发出声音一样,时空的扭曲振动当然要发出“声音”——这就是引力波。

在LIGO的探测精度内,大概有四个过程可以探测到引力波,第一种情况是致密双星的合并过程中发出的引力波,比如1到100个太阳质量的致密天体(如中子星,黑洞)之间的合并过程就发出这个频段的引力波信号;第二种情况是中子星的自转,当一个中子星的质量分布不对称的时候,它有一个随时间变化的四极矩,这个时候也会辐射出这个频段的引力波;第三种情况就是burst过程,就是一些短期的爆发源,比如超新星爆炸过程,时间很短,其引力波信号也很不规则,其频率也在LIGO引力波探测器的探测范围内;第四种情况就在宇宙学方面,早期的宇宙大爆炸会有随机的引力波背景,这个极早期的涨落现在比较难探测,但也在LIGO引力波探测器的探测范围内。

当然了,引力波的探测是很难的。所以才会得诺贝尔奖。

当然,要听到时空的声音是很难的,引力波是很难探测到的,有一个广义相对论专家叫 Bernard Schutz。他曾在北京大学做学术报告时发表感慨说:"我们花了几十亿美元找引力波,还是没找到,有时候我晚上睡觉想想,我怎么能和老婆睡自己床上呢?我他妈的应该睡监狱里啊。"

引力波给了我们一种探测宇宙的新手段,以前我们只能用电磁波,现在可以用引力波了。

百年前,爱因斯坦将引力波作为他的广义相对论的一部分。直到LIGO的检测,引力波一直是没有实验证实的广义相对论的一个预测。因此,引力波的探测完全证明了一般的相对论的正确性。

但这不仅仅是关于这个理论。它为我们了解世界和宇宙提供了一种新的方式。由于他们要远程旅行到达我们,所以引力波非常弱,但在另一边的硬币是波浪帮助我们观察比我们目前的技术更深刻的宇宙。我们的宇宙经历了大膨胀, 是由95%的黑暗能量和暗物质组成。掌握引力波探测,测量和分析,我们就将有更大的机会研究我们所认识的宇宙的形成和发展。

引力波探测本身也非常重要。这可以类比电磁波的发现。赫兹在1888年的实验结论中证实了电磁波的存在,现在不同频段的电磁波已被广泛应用于我们的生活。未来,引力波可能有广泛的应用,有利于我们的生活。引力波研究刚刚开始,中国有充分的理由掌握引力波探测。

但仅仅用引力波研究的重要性来说明其获得诺奖的必然性这可不够。重要的研究可多去了。取得进展的研究也多去了。引力波作为一项重要的研究,之所以获得了诺奖,还因为如下原因:

1. 它是基础的方向性的研究,具有在科学上划时代的意义,将来会有无数研究奠基于今日引力波探测研究的基础上。这正是诺奖的自然科学奖项要优先表彰的。

2. 很多重要的研究需要加以时日才能证明其重要性,比如这次获得化学奖的冷冻电镜。但引力波研究不同,从开始建造引力波探测设备起,全世界的学界就对此给予了很大关注,即使当时的中国(1970\1980年代)还不具有如此实力,但在理论上也进行了跟进,因为大名鼎鼎的广义相对论已经早在多年前,在引力波探测的研究正式启动前,就为其研究奠定了合法性。

3. 引力波的探测,包括Ligo的建设和运行,已经经历了几十年。各种bug不停地被修正。虽然近来爆发了有关LIGO探测结果可靠性的争议,但在大方向上这一研究不会有错误。这也是诺奖委员会能放心大胆地把物理奖颁给在引力波探测中发挥核心作用的几位科学家的原因。

简单来说,引力波是由物体在空间中加速运动产生的时空涟漪。为了解引力波究竟是什么,我们先要了解引力的作用方式。牛顿的万有引力定律告诉我们,万物之间都存在着一种互相吸引力。然而,这样的描述只是一种表面现象,而非引力的本质。爱因斯坦的广义相对论告诉我们,引力其实是一种时空几何效应,由物体弯曲时空所产生的。只要物体具有质量,它就能够扭曲时空,并且时空的弯曲程度(或者说时空曲率)与物体的质量呈正相关。广义相对论对引力作用的描述已经得到了诸多实验的证实,其中包括水星近日点进动、星光偏转、引力时间膨胀效应等等。

引力波也是广义相对论的一大预言,但一直以来没有被直接探测到。广义相对论预言,当物体在空间中加速运动时,将引发时空曲率不断改变,从而产生以光速传播的引力波。这就像在平静的水面上扔进一块石头,水面将会泛起涟漪,并向四周传播。

事实上,我们在地球上的任何活动,比如走路或者开车,都能引发时空涟漪,产生引力波。然而,这种效应十分微弱,远在仪器所能探测的范围之外,就连行星在太空中围绕恒星运动也是如此。只有一些宇宙级别的大事件才能释放出可探测的引力波,比如两个黑洞发生碰撞。但这些事件一般较为罕见,并且如果距离很远,探测引力波的仪器还需要极高的灵敏度。正因为如此,人类才一直从未检测到引力波。

直到去年年初,激光干涉引力波天文台(LIGO)团队宣布,他们首次直接探测到由13亿光年之外的黑洞碰撞所产生的引力波。引力波的发现宣告广义相对论的几大预言均被证实,打开了引力波天文学的新大门,对于揭开宇宙的诸多未解之谜具有重大意义。在目前在世的物理学家中,有三位对引力波探测做出重大贡献,他们分别是麻省理工学院的雷纳·韦斯、加州理工学院的基普·索恩(《星际穿越》的剧本初稿作者以及科学顾问)和巴里·巴里什,所以这三位物理学家共同获得了今年的诺贝尔物理学奖。

悟空问答的网友大家好。美国麻省理工大学教授雷纳-韦斯(Rainer Weiss),加州理工学院教授巴里-巴里什(Barry C. Barish)和基普-索恩(Kip S. Thorne)三位科学家因为发起并领导Ligo(激光干涉引力波天文台)项目,并在将理论及实验物理学应用于宇宙研究领域做出的贡献而受到表彰。

诺贝尔大会对于引力波的发现这样评价:“2015年9月14日,人类历史上第一次探测到引力波。爱因斯坦在100年前预测了引力波,是由两个黑洞在合并时产生的。引力波抵达美国Ligo天文台需要经历13亿光年。”

在宇宙诞生之初,还没有光的时候,就已经有引力波了,所以发现引力波,就可以研究宇宙最初期的物质形态。

爱因斯坦在广义相对论中这样描述引力波:“引力波以光速迅速扩散,充满整个宇宙。”他解释道,引力波产生于巨大的加速中,比如冰上运动员做单脚旋转,或者两个黑洞交替旋转时。不过爱因斯坦认为,引力波是永远无法测量的。而借助于Ligo巨大的激光探测仪,它们能在引力波经过地球的时候,测出比原子核千分之一还小的微量变化。

Ligo作为引力波目前最为灵敏的观测项目,由全世界20多个国家超过1000名科研工作者共同完成,并且实现了人类半个世纪的目标——探测引力波。而此次获奖的三位科学家在领导引力波项目的实现过程中,功不可没。

不过可惜的是,引力波探测的先驱、Ligo创始人之一的加州理工学院教授罗纳德-德雷福(Ronald W.P. Drever)今年3月在爱丁堡辞世,享年85岁,未能等到这一科学界的最高奖项。德雷福设计并实现的Ligo干涉仪对于探测引力波所需的极度灵敏条件至关重要。

然而,发现引力波只是引力波天文学的开端,它为观察宇宙打开了一扇新的窗。更重要的是之后的物理学。目前发现的都是双黑洞合并的信号,还有比如双中子星、银河系内中子星的信号和其它未知的信号,以后的新发现都会为理解宇宙提供新的方法和证据。

这意味着,当引力波抵达地球的时候,是非常非常微弱的,但是对人类天体物理学的变革产生积极意义。引力波为人类观察宇宙中最为激烈的天文活动提供了全新的方式,并且考验着人类的认知极限。

正如Weiss教授在接到诺贝尔大会电话时所强调的:“引力波并不是三个人的研究成果,而是一个千人团队才能完成的项目。我们为此努力了整整四十年!”

Weiss教授和已经辞世的Drever教授是Ligo团队中的关键核心人物,他们是Ligo的发起者。1964年,Weiss加入麻省理工学院物理系时,Ligo只是他设计的广义相对论课程的一项课堂练习。1975年,Weiss教授认识了加州理工大学的物理学家Thorne教授。

Thorne教授是著名的理论学家,研究重点是引力物理和天体物理学,侧重于相对论恒星、黑洞和引力波。30年来他一直在推崇Ligo项目,与Weiss教授和Drever教授密切合作,为探测引力波提出新的技术和思路。他还是好莱坞影片《星际穿越》的执行制片人和科学顾问。

Barish教授对于粒子物理学的大型项目有着丰富的经验,他曾经担任Ligo项目的首席科学家,具体协调了Ligo项目的发展以及设备的建造和实施,使得Ligo成为了一个“大科学”项目。

目前,科学家通常用宇宙射线或者中微子等电磁辐射和粒子来探索宇宙,引力波作为探测时空本身的直接手段,为人们打开了观测看不见的世界的新方法。利用这种方法,科学家能够捕捉到引力波并将其翻译成有效信息,带给人类更多惊喜的发现。

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今年的诺贝尔物理学奖颁给了三位美国物理学家,家雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip S. Thorne)和巴里·巴里什(Barry C. Barish)。

奖励他们建造了 LIGO 探测器,并且探测到了引力波。



左→右:雷纳·韦斯、基普·索恩、巴里·巴里什

今年的这个奖项可以说是众望所归的。因为在物理学界有一个共识,如果发现引力波不获奖,那就没有天理了。所以我相信每个人对引力波都是耳熟能详的。

去年春节期间,我们的朋友圈都在刷屏引力波被首次发现。但是去年 LIGO 公布发现的时间是2月11日,可是诺贝尔奖提名的截止日期是1月31日,所以刚好错过了提名时间11天,所以2016年的诺贝尔物理学奖因为流程问题无法授予引力波的发现。

可是也正是在之后的一年时间里,人类又利用引力波探测器发现了另外3个黑洞相撞的事件,而且最近一次,连黑洞所在的方向都确认了,所以更多的事实,更多频段上的观测,让引力波的发现变得确凿无疑,所以今年马上就把奖给出去了。

我们先来听一下引力波的声音。 (请听音频)

你刚听到的声音就是引力波的原始频率,它正好落在我们的听觉范围内,是几十赫兹到几千赫兹的频率。而且这并不是信号加工处理后的效果。我们如果距离两个相互旋转的黑洞足够近,它们对空间产生的扰动也会让我们的耳膜产生同样频率的振动,所以离得足够近,听上去和这个效果是一模一样的,只不过我们在地球上离事件发生地太远了,信号已经微弱到几乎不可探测了,而引力波探测器 LIGO 就相当于我们的助听器,我们利用它,把引力波放大到我们可以听到的范围。

关键人物:巴里

LIGO 的创始人一共3位,其中只有2人获奖,还有一位科学家罗纳德·德雷弗本应该获奖,但在今年3月7日,他86岁高龄病逝了。按照诺贝尔的遗嘱,只能颁给在世的人,所以作为替补上来的人,就是巴里·巴里什。

去年大家在讨论引力波到底该颁给谁的时候,巴里就属于比较尴尬的地位,因为他的贡献确实不小,但创始人确实是3个人,诺贝尔奖又不能颁给超过3个人。现在腾出了一个席位,所以矛盾解决了。

巴里的贡献在于对整个工程项目的统筹和实施,和科学知识贡献这方面没有太大关系。可是 LIGO 这个探测器项目,和一般的科学项目不同,它是迄今为止人类建造的最耗时,最耗钱的科研设备。而最早的3个创始人,都是典型的物理学家,有些脾气还有点儿怪,让他们搞科研没问题,比如去世的罗纳德,据说是天才型人物,在他眼中,其他人都像傻子一样,而且他还心直口快,直接跟人家说自己的看法,所以你怎么让他统筹这么大的工程呢?是不可能的。

另外两个人也是这样的,你让他们花多少时间搞科研,那都是毫无怨言,但你要是让他们花时间写工程项目的进展报告,那是绝对不能妥协的。



LIGO探测器全景

最早,雷纳从美国军方以一些名义要到了一小笔钱,这个项目才开始启动的,但马上军方就发现,工程进展方向和申报的不一样,于是就把资金停了。后来才请来了巴里,巴里的背景是粒子物理学家。

大家可能不知道,最近30年的粒子物理学家,差不多都需要一种特殊的才能,就是要能申请大笔的经费,而且还能统领大型项目的建造,还得知道怎么搞协调工作,怎么和政府部门沟通。因为研究粒子物理,必须要用到特别庞大的加速器,巴里之前在这方面就已经有非常丰富的经验了。他的出现让 LIGO 项目一下解决了钱和施工的问题。如果没有他,这种耗资巨大又长期没有成果的建设,根本不可能延续下来,也许我们还要再等几十年才能探测到第一个引力波。

整个项目从开始建造到第一次探查到引力波,经历了35年的时间,出钱最多的就是美国科学基金会,从上世纪80年代初开始,一共投入了4亿多美元,这项目也是顶着巨大的压力。因为人类历史上就从来没有过一个项目连续投入这么多经费,这么多时间,还一直看不到任何成果的情况。

在这30多年里,无数天文学家都指责过基金会,说这么多经费都白扔了,你为什么不花其中十分之一的资金,建一个好的望远镜呢?这是马上就能得到成果的设备。



LIGO设备的分光镜

二零零几年的时候,LIGO 正在抓紧建设,德雷弗还跟自己的妻子感叹过,说我每天临睡的时候,想起 LIGO 花了这么多钱,可是到现在一点成果都测不到,我都感觉自己在犯罪,他们为什么到现在还没把我逮捕起来。

就是顶着这样巨大的压力,LIGO 在2015年9月份做了一次巨大的升级,灵敏度猛增了好几倍,也就是这次升级,让他们终于可以听到来自空间振动的声音了。

这个项目如此困难的原因,就是实际上 LIGO 的整套设备,就是一个精密测量长度变化的尺子,这把尺子要测量到多精密的程度呢?就是要测到原子核直径千分之一长度的变化。而在 LIGO 建设之前,人类能测量长度的最好水平,也就是可以测到原子核直径。

也就是说,就在你刚刚听到的这个声音出现之前,有大约3个太阳的质量瞬间变成了能量,而这份巨大的能量挤压了空间,产生了稍许扭曲,以至于让距离这个事件发生地10亿光年远的地球,产生了一个空间上大约是原子核直径千分之一的压缩效果。

这就是引力波探测器要探测到的最终目标。

爱因斯坦的预言

这次发现引力波获奖,还有个特别的意义,那就是广义相对论的成果获奖了。如果爱因斯坦还活着,那这次诺贝尔奖一定要分给爱因斯坦。因为是他在100年前就在理论上计算出了引力波的存在。这也是广义相对论最重要的一个预言,但没想到时隔100多年才得到了验证。



爱因斯坦预测引力波的论文

纵观诺贝尔物理学奖,颁发了一百多次,之前竟然没有一个是颁给广义相对论方面的研究。而和广义相对论在同时期成熟起来的量子物理,那几乎80%-90%以上的诺贝尔奖都和它有关。相对论和量子物理,起码是并重的体系,凭什么相对论一次都不能获奖呢?所以这次获奖也让研究相对论的科学家们扬眉吐气了。

引力波的意义

可能有人要问了,探测到引力波有什么用?

这就像最早麦克斯韦发现了电磁以后,有人问,电磁波有什么用似的。

我们站在2017年是无法回答引力波具体有什么用的,但可以肯定的是,它的用处之大,一定可以和电磁波的用处相提并论。

我们回顾一下人类观察世界的几个节点:

400年前伽利略发明了光学望远镜,从此之后人们观察世界,就不局限于肉眼了,但还是局限在可见光的范围内。

1931年贝尔实验室的杨斯基发现了银河系的射电辐射,这样人类首次在可见光范围之外用电磁波观测宇宙了。

1987年,戴维斯和小柴昌俊发现了来自超新星爆发的中微子信号,所以人类就能第一次利用不是电磁波的信号观测宇宙了,我们用的是中微子。

2015年 LIGO 首次观测到了引力波,这个意义就是,人类首次可以利用空间本身的颤动来观察宇宙了。

好了答完了,转发自卓老板聊科技!如果有版权问题我会撤销。

 

宇宙可以看成这样一种存在,时间和空间是基底,物质编织在基底上;或者说时间空间是舞台,而物质是演员,在舞台上演绎我们日常所见的精彩事件。物质通过电磁波和引力波不断辐射能量,只是引力波与物质彼此之间的相互作用非常微弱,所以虽然爱因斯坦早就预言了引力波的存在,但它不像电磁波这样容易为我们所感知,所以科学家们一直不能确认它的存在。

那么引力波究竟是什么呢?电磁波是物质之间相互交换能量和动量的现象,而引力波是物质和时空之间交换能量的现象,因此电磁波是物质引发物质的形变,引力波是物质引发时空的形变,是物质对它存在的时空本身的作用,是宇宙后台在物质作用下的形变!只是我们平时所见的物质质量太小,难以引发可观测到的时空扭曲现象,就像演员在舞台上表演,我们能够看到的是演员的挥手投足——电磁波,看不到的是演员引发的舞台形变——引力波(比喻,非真的引力波)。即使是科学家们首次探测到的14亿光年外,两个质量分别为29和36倍太阳质量的黑洞合并,损失了3个太阳质量形成62倍太阳质量的新黑洞,其搅动时空所引发的引力波,也仅把地球上长达4公里的LIGO悬臂扭曲了不到一个质子直径万分之一的长度。由此可见,要发现引力波是何等的困难!

那为什么发现了引力波就可以获得诺贝尔奖呢?物理学的第一次革命是牛顿发现万有引力,奠定了经典物理学的基础,爱因斯坦的广义相对论则重新定义了我们的时空观,几乎将宏观世界的所有秘密都呈现在我们眼前;第二次革命是电子的发现,奠定了量子力学的基础,科学家们在微观尺度的不断探索,创生了现代化学、生物学等几乎所有现代科学学科,以及我们现代生活所需的所有物质成果。

广义相对论描述引力,量子力学描述其它三种力但不包括引力,当科学家们试图将二者结合起来充满信心地揭示宇宙的终极奥秘时,却沮丧地发现它们根本无法相容,在时空的最小尺度上引发了惊涛骇浪,“广义相对论的方程无法平息量子泡沫的喧嚣”(布赖恩·格林)。引力波的发现,让我们第一次掌握了直接探测时空变形的工具,黑洞、暗物质、暗能量,这些无法用电磁波“看见”的东西,很可能会呈现在引力波的精彩世界里,和探测物质形态的工具电磁波结合起来,一个包含了所有宇宙时空和物质的量子引力世界正在向我们走来,爱因斯坦穷其一生追逐的万有理论很可能会在不久的将来成为现实。

所以,引力波的发现获得诺贝尔奖,不仅众望所归,或许也是诺贝尔奖历史上分量最重的一次之一。

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