宇宙传奇-25

宇宙大爆炸传奇-25 

上次说到爱因斯坦和罗森共同写了篇论文，否定了引力波的存在，写完这篇论文罗森就搬回苏联了，去了苏联的基辅大学，那论文这边的事也就爱因斯坦一个人管了，他就投稿给了当时美国顶尖的物理期刊叫《物理评论》，之前他们也有过合作，爱因斯坦罗森桥那篇论文就是投稿给的他们。要不怎么说美国人和欧洲人不一样呢？美国人最擅长制度的设计，他们最擅长跟你玩制衡，发论文都要求背对背审稿。

什么叫背对背审稿？就是审稿人不知道发稿人是谁，不知道这论文谁写的，写论文的人也不知道审稿的是谁。物理评论的主编就给爱因斯坦找了一个审稿的，这主编也不知道爱因斯坦是谁，没听说过，他不是欧洲人没那习惯。欧洲杂志刊登论文那都是看名气来的，名气大的就让登，如果后辈没有前辈的提携那就麻烦了，当年爱因斯坦就是普朗克提携的。德国的物理学杂志也认为，哪怕差一点的文章，哪怕是出现错误的文章也总比没有文章要强。那反过来美国人就不是这脾气了，特别是这个物理评论，他们要打造高质量的物理期刊，一点都不能马虎，哪怕像爱因斯坦这样的祖师爷也不能坏了规矩。果然别人审稿就找出了一堆毛病，写了一大堆审稿意见。这个物理评论的主编转给爱因斯坦的话也很客气，意思就是您看一眼我们这审稿人说的对还是不对啊？结果爱因斯坦一看这审稿意见就气不打一处来，心说我一个相对论祖师爷谁还有能力在这方面审我的稿子？他当时就给物理评论主编写信，表示撤稿不干了，此处不留爷自有留爷处。这主编也没辙啊，这是程序必须得这么做啊。其实那时候程序也不是太完善，之前几天都没审稿怎么到了爱因斯坦这就开始要审稿了，所以爱因斯坦就很不爽。

爱因斯坦转手就把文章投到了另一个名气较小的刊物上，叫《富兰克林研究所学报》。别人一看这小庙来了尊大菩萨，当即就表示愿意给你刊登。爱因斯坦一看这情况，那好啊，就等着印刷出版吧，这时候爱因斯坦来了个新助手，这助手叫英菲尔德。英菲尔德也跟着爱因斯坦搞引力波，他其实还是有点怀疑这东西，引力波这东西应该是有可能存在的，但毕竟爱因斯坦是大神，他也就接受爱因斯坦的意见。后来他就认识了一个朋友叫罗伯逊，这个罗伯逊很厉害，他们就聊起了引力波的事。罗伯逊思路清晰侃侃而谈，三下五除二就把他们头疼的奇点问题给解决了。你们就这么这么办，选用柱面坐标。英菲尔德一听马上就告诉爱因斯坦，爱因斯坦当时其实也回过味来了，他觉得不对劲，这几天脑子转过弯来了，然后他跟罗伯逊一讨论，立马觉得这引力波是存在的，这东西可以算出来。于是爱因斯坦就把论文题目给改了，改成《关于引力波》，这态度是180度大转弯。但是之前的论文已经交给了费城的富兰克林研究所学报了，别人已经在那印刷了，正好研究所学报跑过来送校对稿让爱因斯坦校对。趁此机会爱因斯坦赶紧往里面打补丁，打完补丁还在最后写一句谢谢罗伯逊教授，别人罗伯逊那时候才30岁。后来在苏联的罗森看到文章发表出来之后就傻了眼，这才几天不见怎么结论就完全不同了呢，心说爱因斯坦你到底站哪边啊？后来罗森一直不认账，他一直认为引力波不存在，直到后来碰到了个后辈叫费曼，这都是后话了。 

 那当年给爱因斯坦审稿的人究竟是谁呢？要知道那年头懂广义相对论的人就没几个，要放美国就更少了。原子弹之父奥本海默肯定懂，但那时候他在加州不在普林斯顿，然后其他人挨个算也都不在，最后目标就落在了罗伯逊本人身上。后来有人就去翻纸堆，查找当年的书信和单据，发现当年给爱因斯坦审稿的人果然就是罗伯逊自己，要不然他怎么这么熟。他当时没告诉爱因斯坦和英菲尔德这稿是自己审的，当然了这物理评论的主编当时给他稿的时候也没告诉他这是爱因斯坦和罗森写的，只告诉他这是一个大神级别的人写的。可事情偏偏就这么巧，罗伯逊跟爱因斯坦是同事，后来还成了朋友。爱因斯坦当年对这事很恼火，审稿意见他都没仔细看，要不然他就能很早发现自己的问题了，也不至于后来要罗伯逊去拐弯抹角提醒他，毕竟审稿意见里写的清清楚楚，自己不看那怪谁去。 

H.P.罗伯逊

 这个罗伯逊在物理学方面有很大的贡献，我们知道现在宇宙大爆炸的理论就是FLRW度规，这些字母全是一些人的名字，F代表弗里德曼，L代表勒梅特，R代表罗伯逊，W代表沃尔克，这基本个个都是大佬。弗里德曼是伽莫夫的老师，伽莫夫最后提出一套完整的大爆炸理论，而且还预言了微波背景辐射的存在。勒梅特是比利时的神父，他计算出宇宙膨胀的时候开心得想给上帝找份工作，他们都是搞相对论的嘛。罗伯逊他们正是在爱因斯坦算引力波这个节骨眼算出了度规，也就是说罗伯逊和沃尔克归纳时间点都差不多，这就是整个宇宙大爆炸的理论基础了。爱因斯坦虽然算出了引力波公式，但这东西大部分时间是被束之高阁的。爱因斯坦觉得这东西太微弱了，根本没办法把它测出来。像黑洞这种东西他当时也不认为黑洞有奇点，是真有这个东西，这东西很难去检测。 

 一般天文事件发出的引力波微乎其微，就拿我们太阳系为例，比如说我们最大的行星木星围绕太阳转，那这个过程会不会辐射出引力波呢？这是会辐射出引力波的。这个质量为地球300倍的木星辐射出去的引力波有多大的功率？大概也就5000瓦左右。也就是说那么大个木星辐射出来的引力波也就三个烤箱那么大的功率。这功率也太小了，在这么广袤的宇宙里，3个烤炉的功率分摊一下那还剩啥啊。更要命的是它的周期长的吓人，要辐射12年。这周期太长了，木星绕太阳一圈是12年。那好，要检测这个就麻烦了，要想检测引力波那首先要有两个条件，首先频率不能太低，像木星这样一圈12年的那没人耗得起，搞几个周期科学家就退休了这就不行啊，最起码有个几赫兹吧，哪怕1赫兹也行啊。然后就是要强度大，你强度不大我收不到啊。要符合这两个条件的那也就是中子星黑洞之类的了。大质量恒星变中子星或者直接塌缩成黑洞的时候会不会有引力波辐射出来呢？答案是不会。因为球对称的这个过程都不会产生引力波，要产生引力波那就必须是那种不圆的东西。所以第一个想吃螃蟹测引力波的人就是韦伯，他20世纪50年代就开始搞了，那时候爱因斯坦可能还活着。韦伯就搞了一个大圆柱体，铝做的，然后在上面就布满了那种感受应力的晶体。根据爱因斯坦的计算，引力波那是横波，按照广义相对论计算，这是个柱面波，说白了就跟人的肠道蠕动一样，稍微有点那意思。那韦伯这个铝圆柱在引力波的扭曲下回产生变形，那么这个晶体就能收到这种信号。不过这个引力波非常弱，而且引力波也很难变成其他能量，只有变成其他能量才能被我们的探测器接收到嘛，因此这个难度更大。电磁波就很容易可以变成其他的能量形式，因此就很容易被我们检测，而且电磁波要比引力波强多了，这两者之间强度差了几十个数量级，所以这韦伯的探测方法难度也不是一般的大。要探测引力波必须把那个圆柱体冷却到极低的温度，要一桶一桶液氦往上浇，不然这个圆柱体的热运动就足够把引力波的微小变形给覆盖，而且引力波探测器一个肯定不行，一个探测器就无法排除什么风吹草动之类的干扰，你跺一跺脚啊有个小地震啊都没办法排除，起码得有两个探测器，这两个探测器之间要离的越远越好，当然了，探测器的数量肯定是越多越好了，不过最起码要两个。韦伯就用了两个探测器，某天他突然接收到了一个信号，而且是两个探测器同时接收到的信号，他就特别开心，可惜后来这种信号就再也没出现过，其他人想做类似的验证试验做不出来。那没办法，这种不能重复的就不算数，这招就不灵啊。这是20世纪50年代的事，引力波探测在这个时期是一点进展都没有的。 

韦伯的实验装置

 到了20世纪70年代终于就出现了一点进展，因为在70年代已经发现了脉冲星，后来就发现脉冲星其实就是中子星，中子星的密度极高。后来又发现了脉冲双星，就是两个高密度的天体互相绕着转，而且转的速度非常快，那么它们辐射出来的引力波就非常强大了，而且频率高也好辨认。出来混迟早要还的，能量总是守恒的，那一部分能量随引力波辐射走了，那么脉冲双星的总能量就要降低，既然能量降低，它们就会越靠越近越靠越近，最后撞到一起。那我们就来算算这两颗星靠近要多少年啊，这周期有多少改变啊？1974年美国的科学家泰勒和赫尔斯就算了一下，这两颗星每年靠近多少呢？靠近3.5米，周期每年变慢76.5微秒，那它们俩要撞到一起需要花31年的时间。这看来谁也等不到那年头了，不过还好，这变化虽然小但也不至于测不出来，那就看看观测的结果和计算结果是不是对的上号的。于是他们就花了30年时间来仔细观察这对双星，发现这观测结果和广义相对论的计算结果完全一致，这就是引力波的第一个靠谱观测证据。这属于间接证据，到后来的1993年，他们就获得了诺贝尔奖，获奖理由是因为他们对脉冲双星的研究。别人诺奖委员会对引力波只字不提，毕竟那时候引力波还没被直接观测到，万一将来验证出来不靠谱怎么办？万一将来有证据证明引力波不存在怎么办？那只能提现成的贡献，就说你们俩对脉冲双星的研究很出色，所以就把奖给你们了。这事办的算是很严谨，滴水不漏。万一以后发现了引力波，到时候诺奖委员会还能把奖给引力波，也不算把奖给错人，所以这事是非常严谨了。而且就在20世纪90年代，人们开始换了一种方式来探测引力波，那就是用干涉仪了。这个前面有说过，说的是美国的大型激光干涉仪，一共两台，一台在东海岸一台在西海岸，这样就可以消除误差，而且有两台之后，根据时差还能算出来这引力波大致过来的方向。然后建了4公里长的隧道，把隧道里抽成真空，抽到真空还不够，这4公里长度不够怎么办，总不能挖更长的沟，那就在两片镜子之间让激光来回反射了400次，这灵敏度就翻着倍往上升，这样才能满足精度需求，这就相当于一个1600公里的光路了。工作了一段时间之后一无所获，因为灵敏度还是不够，后来又花了好几年时间来升级设备。 

 升级完设备刚开机，还在调试阶段，设备哐一下来了个强信号，经过简单的滤波之后科学家注意力都集中上去了，这明显就是一个震荡信号啊。引力波信号来袭的时候会不断拉伸扭曲激光的光路，这样光路会不断变长缩短变长缩短，哪怕变化只有一个质子的1%它也能察觉到，所以在这次干涉仪就大显神威，而且运气也是碰头彩了。到了2015年9月14日，北京时间的17时50分45秒，在美国利文斯顿与汉福德的两台干涉仪就同时测到了一个信号，这个信号叫做GW150914，这说白了就是引力波信号，15年9月14号就是这个事件的编号。从信号的波形上看非常完整，这就是俩天体，他俩越转越快越转越快，最后撞到一起了，合并成了一个更大的黑洞，而且这个更大的黑洞刚开始合并的时候距离还不太远，估计长的像花生那样，只要旋转的的东西它不圆，那它就可以持续产生引力波，但这个引力波和先前两个天体合并的时候产生的引力波是有区别的，这个痕迹在干涉仪接收到的波形上就能看出来。到最后这个黑洞变成了一个完整对称的扁球，因为它在转所以它的球形是扁的，等到这时候引力波就消失了，因为一个完整对称旋转的黑洞是不会产生引力波辐射的。这个黑洞就是科尔黑洞，也是一个旋转的黑洞，毕竟这俩双星互相围着转，角动量守恒，它俩撞一块去了这角动量就剩下黑洞在那接着转，这一切都发生在0.2秒的时间之内。一个36倍太阳质量的天体和一个29倍太阳质量的天体就这么吧唧一下合并了，瞬间辐射出的引力波包含的能量就达到三个太阳的质量，瞬间辐射功率超过我们看到满天繁星发出的光的总和，这三个太阳质量的物质完全变成能量辐射了出去，而且合并之前它们的速度达到了光速的0.6倍，对于这么大一个天体来说有这个速度那是不得了的。我们在粒子加速器里弄那个粒子，把粒子速度提升到光速的零点几倍那并不稀奇，但是这么大个天体就特别稀奇了。这个干涉仪官方之前对这个事还一直遮遮掩掩好几个月，各路小道消息传的满天飞，圈子里都在传，但官方就死活不松口，其实就是怕发生这种乌龙事件。因为之前意大利人就闹了一次乌龙事件了，说发生了超光速事件，后来查了半天结果说是什么网线插头没插好，这搞的面子往哪放？所以这个事肯定不能发生，官方也就非常谨慎对待了。这一折腾好几个月，人们也都在外面小道消息传，传了半天才发布，已经是板上钉钉的事了才公布出来，所以科学界都给这事高度评价。随后在2015年12月26日，探测到了第二个引力波信号，叫做GW151226，并于2016年6月16日公布。 

GW151226

 之所以科学界给出这么高评价是因为这引力波很重要，那不仅仅是为了证明爱因斯坦老人家英明神武，总有神来之笔啊。首先，爱因斯坦老人家预言的引力波总算被发现了，这就进一步说明了广义相对论的正确性。其次是有关黑洞的。以前我们总是推测，比如说我们银河系中心有个超大质量黑洞，在那么小的范围里有百亿个太阳质量聚集在那，我们想来想去也想不出什么可能性，只有可能中间是个黑洞。但不管怎么样这仍然只是个推测，它不是直接的，而这次直接观测到两个完全不发光的天体发生的这次碰撞这次合并，这次并不是靠电磁波，靠的是引力波这个新东西，所以这是天文观测史上的一次革命。之前我们的目光是没办法穿透宇宙大爆炸迷雾的，因为宇宙早期不透明嘛，直到大爆炸以后38万年中性原子才形成，中性原子形成之后光子才能自由的在宇宙中奔跑，然后才能被我们观测到。那更早期的宇宙呢？更早期的宇宙我们现在并不能知道，而现在借助引力波我们就可以窥探到大爆炸的初始阶段的真容，可以一直窥探到暴胀时期，那已经是非常靠近宇宙大爆炸的开端了。所以这就是引力波在观测方面的意义，它在观测方面有非常大的意义。那在理论方面又有什么意义呢？那就是既然有引力波，那就必定有引力子，能在真空里任意穿行的东西必定是符合波粒二象性的，也就是从微观上讲既是波又是粒子。光是电磁波，同时它也是光子，那么同样的，引力波既然存在，那么引力子也必定存在。换句话说，前辈们拼命努力想搞的引力场量子化是必定可以实现的，因为我们的的确确检测到了引力波。既然有引力波就必定有引力子，这毫无疑问。 

 尽管到目前为止，各种引力场量子化的理论都还不完善，说哪个哪个理论的都有，家家户户也都有自己的难处，但起码大方向是对的，我们要走统一场，要把引力和其他力都统一起来，因为其他力都可以统一了，唯独这个引力是个另类。但其实就连引力波本身的计算它就不完善，通过观测手段就可以校正我们很多对引力波的计算，比如说计算脉冲双星引力辐射的时候那都是想出来的，啥阴招都用上了，什么牛顿力学啊广义相对论啊量子场论啊轮着用，好多地方都不得不采取近似运算。引力波运算本来就很复杂，那可以说是超级复杂了，现在传到地球上我们能检测出的引力波都是非常非常微弱的，这种非常微弱的引力波反而更好计算，它可以做线性近似运算，那是很好办的。如果是非常强的引力波反而一个头两个大了。如果我们碰到非常强的引力波那要怎么计算呢？那要怎么观测呢？这根本不用操心，也没工夫操心，因为要碰上非常强的引力波，波长非常短的引力波，那我们都被撕碎了，我们都没必要去计算了，我们都完蛋了。  

那么关于引力波的一切就是如此，下一期我们要好好谈谈一个最抽象又最具体的事，那是有关时间的事。请看下回分解。