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明镜 胡一鸣:什么是引力波

通过比较引力波应变数据(以在汉福德的H1探测器所接收的应变为例)和由广义相对论计算得出的在旋进(inspiral)、合并(merger)、铃宕(ringdown)三个过程的最佳匹配波形,得出的关于GW150914的一些关键结论。图片下方展示了两个黑洞的间距和相对速度随时间演化的过程,它们的速度在不到0.2秒的时间内达到了0.6倍光速。(此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有)

后续跟进的数据分析结果还显示,GW150914是一个36倍太阳质量的黑洞和一个29倍太阳质量黑洞并合事件,在并合后产生了一个62倍太阳质量带自旋的kerr黑洞。这一切发生于距离我们十几亿光年以外的地方。LIGO 探测器真实地探测到了很久以前发生于某个遥远星系的一个大事件!

将并合前的两个黑洞和最终产生的黑洞相比较,可以发现这次并合将大约3倍太阳质量(大约600万亿亿亿(~6×1030)公斤)转换成了引力波能量,其中绝大部分在不到一秒的时间里释放了出去。相比之下,太阳在一秒内发出的能量大约只相当于是四十亿(~4×109)公斤物质转换成的电磁辐射。实际上,令人惊奇的是,GW150914放出的峰值功率要比可观测宇宙中所有星系的光度总和还高10倍以上!正是因为致密双星系统在并合前的最后阶段才能释放达到峰值功率的引力波,所以之前提到的还有3亿年才能并合的PSR1913+16双星由于正在释放的引力波强度还太弱,因此很难被探测到。

以上数据还表明,这两个黑洞在并合前的间隔只有数百公里,引力波的频率在此时大约达到了150Hz。因为足够致密,黑洞是唯一已知在如此近的距离都不会碰撞融合的物体。由并合前总质量可知,双中子星的总质量远低于此,而如果是一对黑洞和中子星组成的双星的话,要产生这样的波形,它们必定会在远低于150Hz的时候就早已开始并合了。因此,GW159014确凿无误是一次双黑洞的并合事件。

新的时代

爱因斯坦的广义相对论自从100年前提出以来,历经了重重考验,从对水星近日点进动的解释,到1919年爱丁顿对日全食时太阳附近光线偏折的研究,再到对引力红移的验证,每一次检验,相对论都从容应对。而这一次引力波的探测,更是有力地支持了相对论在强引力场下的正确性。至此,广义相对论的所有主要预言被一一验证,而这一个传奇的理论在经历了一个世纪的风雨后历久弥新。

有那么一个时代,人们以为物理学的大厦已经完整地建立,后世的物理学家只需要修修补补,把某些常数测得更精确一些。做出这个预言之后没多久,开尔文就与世长辞,遗憾未能见证他当年预言的“物理学天空的两朵乌云”把看似坚固的物理学大厦连根拔起,在废墟上挺立起新两座的高楼:相对论和量子力学。

现在,似乎又到了物理学突破山穷水尽的时刻,又是一个后辈只能修修补补的年代,对于一个物理学家而言,生于这个时代似乎是不幸的。可是,引力波的发现,又打开了一扇希望的大门。广义相对论和量子力学存在着根本性的矛盾,一直是现代物理学天际线上的一朵乌云。而极大质量和极小尺度的黑洞,是研究这一乌云最佳的着手点。引力波是唯一能深入探究黑洞的研究手段,作为物理学家,生于这个时代又是何其的幸运!所以说,引力波的探测,远远超出了检验广义相对论本身的意义。

2015年9月14日引力波的发现是科学史上的里程碑。这一非凡的成就,凝聚了太多物理学家的心血,也是多少人魂牵梦萦的所在。我们有幸生在这个时代,见证物理学历史的重大进程。对于我们这些亲身参与其中的科研工作者而言,更是感到无比荣幸。虽然我国目前在引力波领域的研究力量稍显薄弱,少有专门的研究团队,但是在LIGO科学合作组织中也活跃着不少中国人的身影,包括大陆地区LIGO科学合作组织的唯一成员单位清华大学,利用GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻;采用机器学习方法加强引力波数据噪声的分析;分析引力波事件显著性的系统误差等。此外清华还参与构建引力波数据计算基础平台,开发的数据分析软件工具为LSC成员广泛使用。我们特别感谢对本文有帮助的几位LSC年轻同行们:罗切斯特理工的张渊皞,西澳大学的王龑、朱兴江和储琪,墨尔本大学的孙翎,伯明翰大学的王梦瑶,格兰萨索研究所的王刚等等。

在文章最后,列出LSC内部几位科学家包括我们自己对本事件的评价来结束此文。

4、发现引力波意味着什么?

“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(Bruce Allen)

“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(Kip Thorne)

“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(David H. 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(Gabriela González)

“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

“不少亲朋好友问过我,你在研究些什么。我都这么回答:我们在找另一种光,一旦找到,意味着人类从此有了第六感,就像有了超能力,用一双天眼饱览神秘宇宙中无尽的奥妙。现在,我们,找到了!” ——马克斯·普朗克引力物理研究所博士生,明镜

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来自:心住至善  > 百家杂谈
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