首页 我的图书馆 个图VIP
爱因斯坦100年前说的引力波真的存在,是什么人发现了它?

2016-02-13

智能

爱因斯坦100年前说的引力波真的存在,是什么人发现了它?

Dennis Overbye 昨天

科学家们经过了一个世纪的革新、检验、质疑和辛勤工作,终于进入到了物理现实的最深处。

周四,一个科学家团队宣布,他们探听并记录下了十亿光年以外两个黑洞碰撞发出的声音,这段稍纵即逝的短促声波应验了爱因斯坦广义相对论的最后一项预言。

一个世纪以前,爱因斯坦预言了一种时空涟漪——引力波的存在。物理学家表示,这段微弱的上升音是这种引力波存在的第一个直接证据。(点击播放,需要VPN)它证实了爱因斯坦的宇宙观:时空是相互交织、是动态的,可以伸展、收缩、震动。而这很好地证实了黑洞的性质。黑洞是一个深不见底的引力坑,甚至连光都无法从中逃脱,这是爱因斯坦的理论中最不祥(也最不受欢迎)的部分。

总而言之,这意味着自从爱因斯坦在论文中预言它的存在以来,科学家们经过了一个世纪的革新、检验、质疑和辛勤工作,终于进入到了物理现实的最深处。在这里,爱因斯坦宇宙观中最古怪、最疯狂的部分昭然可见。

科学家探测到引力波

科学家宣布,他们终于探测到一个世纪前阿尔伯特·爱因斯坦预言的时空涟漪——引力波。

9 月 14 日,位于华盛顿州和路易斯安那州的被称为 LIGO 的 L 形天线在引力波的作用下发生震动,其中传送的能量比宇宙所有恒星总共输出的能量大 50 倍。

这段简单的短促声波在上升到中央 C 音后戛然而止。如果能在今后的实验中复制,它似乎注定会在科学界伟大的声音中占有一席之地,与亚历山大·格雷厄姆·贝尔的“沃森先生——到这里来”以及人造卫星第一次从轨道上发回的哔哔声一道被载入史册。

“我们大家都欣喜若狂,”LIGO 科学合作(LIGO Scientific Collaboration)发言人、路易斯安那州立大学的加布里埃拉·冈萨雷斯(Gabriela González)说道。“我想爱因斯坦会非常高兴的。”LIGO 的全称为激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)。

LIGO 团队成员都是来自世界各地的科学家。周四,他们和一个名为 Virgo 合作(Virgo Collaboration)的欧洲团队,以及另外 1000 多名作者在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上共同发布了一份报告

“我想这将是很长一段时间内物理学上的重大突破之一,”LIGO的科学家之一、哥伦比亚大学教授索博尔奇·马尔卡(Szabolcs Marka)说。

谈到让天文学家能够获得越来越多的电磁频谱,并能越来越深入地窥视空间和时间的各种望远镜设备时,他说:“天文学上的其他一切都像是眼睛。终于,天文学长出了耳朵。我们以前从来没有过耳朵。”

期待已久的胜利

这一发现是三位物理学家的伟大胜利——加州理工学院的基普·索恩(Kip Thorne)、麻省理工学院的雷纳·维斯(Rainer Weiss)和原在加州理工任职、现退休居住在苏格兰的罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)。他们梦想着要测量出爱因斯坦最不可言喻的概念,并将自己的职业生涯都赌在了上面。

LIGO 项目的重要参与者(从左至右):加州理工学院的基普·索恩、美国国家科学基金会的弗朗斯·A·科尔多瓦(France A. Córdova)、麻省理工学院的雷纳·维斯、加州理工学院的戴维·雷茨(David Reitze)和路易斯安那州立大学的加布里埃拉·冈萨雷斯。图片版权:Lexey Swall/纽约时报

“直到现在,我们科学家看到的都只是平静时期的扭曲时空,”索恩博士在一封电子邮件中说。“这就像我们只看到海洋风平浪静时的样子,却从来没见过风暴来临时惊涛骇浪的场面。”

LIGO 观测到的黑洞制造了一场风暴,“在这场风暴中,时间流先是加速,然后减速,然后又加速,”他说。“这是一场导致空间来回弯曲的风暴。”

这段短暂的声波同时也是为美国国家科学基金会做出了有利的辩护。为了建立连接自然的一条新热线,基金会奋斗了 40 余年、斥资约 11 亿美元,面对引力波来源不充足、声音不够大、不值得为此大手笔投入的批评,依然坚持不懈。

“几十年过去了,我们经历了大量不同的技术革新,”基金会负责人弗朗斯·科尔多瓦在接受采访时说,回想最初几年,基金会顾问委员会“对这一项目真的是很不解”。

虽然 LIGO 的成功引来科学界的一阵欢呼,仍有一些必要的告诫认为这一发现尚需确认或复制。

“我当时吓坏了,”哥伦比亚大学巴纳德学院的理论家珍娜·莱文(Janna Levin)说道。尽管不是 LIGO 成员,但因撰写据实记述这一项目的著作——《黑洞蓝调》(Black Hole Blues),她获准提前目睹有关结果。该书预计今年春天出版。

《物理评论快报》编辑罗伯特·加里斯托(Robert Garisto)说,读到 LIGO 的报告时,他起了一身鸡皮疙瘩。

难以捕捉的干扰

1915 年,爱因斯坦公布了他的理论,改写了牛顿时期以来盛行 200 余年的时空规则。人们曾认为宇宙有一个静态的固定框架,然而爱因斯坦说,物质和能量会扭曲宇宙的几何结构,犹如一个胖子躺在床上导致床垫凹陷一样——这就产生了我们所说的引力。

9 月 14 日,位于华盛顿州汉福德(左)和路易斯安那州利文斯顿的一对 L 形天线(被称为 LIGO)探测到引力波。图片版权:加州理工-麻省理工-LIGO 实验室

宇宙中的干扰可能导致时空伸展、崩塌甚至震动,就像床上的人翻身时床垫出现晃动一样,由此产生了引力的涟漪:引力波。

爱因斯坦对这些引力波并不十分确定。1916 年,他告诉黑洞发现者卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)引力波不存在,后来又说它们存在。1936 年,他和助手纳森·罗森(Nathan Rosen)打算发表一篇论文,揭穿这一错误想法,但随后又再次反口。

根据物理学家已经确定的方程,随着引力波向外扩展,空间将在一个方向上压缩,同时在另一个方向上伸展。

1969 年,马里兰大学物理学家约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)声称,他利用一个六英尺(约 1.8 米)长的铝筒作为天线探测到引力波的存在。他表示,一定频率的引力波会让铝筒像音叉一样鸣响。

其他人没能复制他的结果,但很少有人怀疑引力波的真实性。韦伯博士的实验启发了一代科学家,他们愈发努力地寻找宇宙中爱因斯坦的痕迹。

1978 年,当时在马萨诸塞大学阿默斯特分校的射电天文学家小约瑟夫·H·泰勒(Joseph H. Taylor Jr.)和罗素·A·哈尔斯(Russell A. Hulse)发现了一对互相绕行的中子星(恒星死亡后的超密残余)。其中一颗脉冲星能发出周期性的电磁射线。通过对脉冲记时,天文学家断定两颗中子星的能量正在丧失,两星逐渐接近,其速率恰恰可以预期它们正在放射引力波。

1993 年,哈尔斯博士和泰勒博士获得诺贝尔物理学奖

另一个名为 Bicep 的天文学家团队在 2014 年登上新闻头条,声称他们利用南极的望远镜探测到了来自宇宙大爆炸之初的引力波。但后来他们承认,其观测结果很可能受到了星际星尘的污染。

一个唐吉诃德式的项目

加州理工学院的索恩博士和麻省理工学院的维斯博士最初相识是在 1975 年,维斯博士说,当时他们在华盛顿参加一个会议,两人不得不共用一个酒店房间。索恩博士那时已经是一位著名的黑洞理论家,但他正在寻找新的实验领域去征服。他们一夜未眠,讨论如何检验广义相对论、如何才能最有效地找到引力波。

后来,索恩博士将来自格拉斯哥大学的天才实验物理学家德雷弗博士招致麾下,启动了加州理工学院的引力波项目。德雷弗博士想用光(精确定位的镜子之间来回反射的激光束)来探测过往波动的挤压和伸展现象。

维斯博士试图在麻省理工学院发起一个类似的项目,也使用激光探测方法,但在当时,黑洞这一主题在麻省理工已不再时兴。(他说现在好多了。)

两项工作都没有技术优势。根据研究人员的计算,来自外太空的一个典型的引力波对一对反射镜之间空间距离的改变几乎察觉不到:只有十亿兆分之一。维斯博士回忆说,当他向国家科学基金会的潜在资助者解释这项实验时,“他们都认为我们疯了”。

1984 年,国家科学基金会下令两个团队合并,这让德雷弗博士烦恼不已,却令维斯博士松了口气。索恩博士发现自己扮演着双重角色,他既是引力波领域的传道者,又是调解实验分歧的中间人。

研究的进展相当缓慢。 1987 年,这三位物理学家被撤换,一位主管顶替了他们的职位——这是研究得以继续进行的代价之一。

第一代实验设备——初代 LIGO 于 2000 年投入使用,并运行了十年时间。这一时期的运行主要是为了证明 LIGO 可以胜任研究所需的工作量。 LIGO 系统共有两个引力波探测器,一个位于华盛顿州汉福德(Hanford, Wash.),另一个位于路易斯安那州利文斯顿(Livingston, La.)。它们都曾遭受过不同程度的破坏,前者的一条干涉臂被卡车撞过,后者的一处接收天线则遭到过猎人的枪击,不过这两次事故并没有损坏 LIGO 。

过去五年里,整个 LIGO 系统进行了重建,设备的灵敏度大大增加,探听到某些东西对于研究团队而言不再是一种不切实际的幻想了。

LIGO 的接收天线是 L 型的,垂直交叉的干涉臂长 2.5 英里(约 4 千米)。每条干涉臂外部都包裹着钢铁和混凝土,内部则是几英尺宽的真空室,里面有着体积 250 万加仑(约 9464 立方米)的真空区。干涉臂末端安有玻璃丝悬挂的镜子,这些镜子隔离周围环境碰撞和声音的效果远超任何劳斯莱斯轿车。

在这样的精心设计下,如今升级版 LIGO 中的激光能够在引力波扫过时,根据干涉臂的长度探测到直径仅有质子直径万分之一的微小粒子——这种亚原子微粒太小了,甚至连功能最强大的显微镜都无法观察到它们。

虽然 LIGO 的灵敏度已经提升到了极致,但是仍然只有最大型、最猛烈的宇宙振动才能让探测器发出声音。 LIGO 是为了发现中子星的碰撞而设计的,而中子星碰撞会产生猛烈的闪光——即所谓的“ γ 射线爆发”。

两颗中子星彼此靠近时会旋转得越来越快,转速高达一秒钟数百转,它们会使时空几何体发生振动,发出一种能够在 LIGO 真空管“最佳听音位置”听得见的上升音调。

黑洞是恒星灭亡后形成的一种更加极端的天体。人们认为它也能做到同样的事情。但是没有人知道黑洞是否会成对出现,也没有人知道它们产生碰撞的可能性有多大。如果黑洞确实会成对出现并发生碰撞,那么这一撞击形成的波动肯定会比中子星碰撞形成的波动响度更大、音调更低。

长时间以来,索恩博士和其他科学家一直认为,这些就是 LIGO 会在首次有所发现时探测到的波动。但是就连索恩博士也没有想到, LIGO 这么快就探测到了引力波。

“它在冲我们发出波动,跟我们说你好”

9 月 14 日凌晨四点, LIGO 系统刚刚完成校准,正在进行所谓的工程性运转。这时,利文斯顿观测站出现了一个响亮的信号。“数据在尖叫,接着传来了‘砰’的一声。”戴维·雷茨(David Reitze)回忆道。他是加州理工学院的教授,也是建造运行引力波探测器的 LIGO 实验室的负责人。

七毫秒后,这一信号出现在了汉福德观测站。 LIGO 科学家随后断定,这类信号同时因为巧合出现的可能性几乎为零。当时美国人都还在沉睡之中,计算机记录下了这一事件,而欧洲的科学家们却注意到了此事。

第二天,雷茨博士搭飞机前往路易斯安那州。那天早上,本来在缅因州度假的他在用电脑签到时发现了此事。“它在冲我们发出波动,跟我们说你好,”他说,“太棒了。信号很强烈,我简直无法相信。”

物理学家们知道,对于中子星而言,这一声波的频率过低了。物理学家们详细分析研究了声波形成的原因,发现了宇宙一个偏远角落发生的庞大天体活动:一对黑洞跳了最后一曲华尔兹(随后撞到了一起),形成了这一声波——而且这两个黑洞比天体物理学家们此前预计的更大。

其中一个黑洞质量是太阳的 36 倍,另一个质量则是太阳的 29 倍。在彼此靠近的最后阶段,它们的速度达到了光速的一半,以每秒 250 圈的转速彼此绕行。

接着,声音停止了,两个黑洞合并成了一个黑洞,一个质量等同于 62 个太阳的宇宙陷阱出现了。全过程仅花费地球时间五分之一秒。

据维斯博士所言,用指甲在钢琴上从音调最低的琴键划至中央 C 键,就能再现这个短暂的声波。

这场合并消耗了相当于三倍太阳质量的能量,这些能量在一场看不见也几乎感受不到的天启中蒸发变成了引力波。如果把这一能量转换成可见光,那么它的亮度将会等同于 1021个太阳所发出的光亮。

不过,这个能量让 LIGO 的镜子只是做了一个质子直径的千分之四距离的位移而已。

雷兹博士表示,这一信号精确符合了计算机根据广义相对论模拟计算后得出的对于黑洞的预测。

研究团队表示,九月这一事件发生没多久后, LIGO 又记录到了另一个较为微弱的信号,这个信号可能也是黑洞发出的。据维斯博士所言,一月份结束的第一轮 LIGO 观察运行期间, LIGO 至少探测到了四个信号。第二轮运行将于今年夏天开始。今年秋天,位于意大利的欧洲引力天文台(European Gravitational Observatory)运营的另一个探测器“升级版 Virgo ”(Advanced Virgo)探测器也将启动运行。未来日本和印度也将有望有探测器投入运行。

展望未来

如今,天文学家们知道了,宇宙中确实存在成对的黑洞。眼下他们正急切地想要知道,这些黑洞怎么会变得如此巨大。据西北大学(Northwestern University)的维琪·卡洛格拉(Vicky Kalogera)所言,目前主要有两种理论:一种理论认为,早先在宇宙中,有些恒星缺少比氦元素更重的元素。在变得十分巨大后,这些恒星没有像其他恒星一样先发生炫目的超新星爆炸、再形成黑洞,而是直接塌缩成了黑洞,没有经历超新星爆炸,所以才形成了巨型黑洞。另一种理论则认为,有黑洞沉入了恒星高度密集的球状星团中心,经过吞噬形成了巨型黑洞。

芝加哥大学(University of Chicago)宇宙学家迈克尔· S ·特纳(Michael S. Turner)说,天文学家曾一度把搜寻引力波看成是一场实验,而不是一种观测行为。“ LIGO 已经证明了它名字里代表观测的 ‘O’ 存在的合理性,”他说道,“也就是说,它将会是一个天文观测台,每年观测到数十起天文事件。”

倾听引力波的声音

100 年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。如今,我们终于第一次直接探测到了引力波。激光干涉引力波天文台 LIGO 听见了黑洞碰撞发出的声响。

两个黑洞

大约 12 亿光年以外的遥远星系中,两个黑洞绕着彼此打转。较大的黑洞质量为太阳的 36 倍,较小的黑洞质量为太阳的 29 倍。

碰撞

强大的引力加快了黑洞的转速,它们的速度达到了光速的一半。引力拉近了它们彼此的距离,造成了时间和空间的扭曲。顷刻间,这两个黑洞碰撞在一起,融合成了一个不规则的形状。

下环

这团不稳定的物质渐渐变成了球状,这个过程叫做“下环”(ring down)。相当于三倍太阳质量的能量蒸发产生了大量的引力波,扭曲了时间和空间,最终形成了一个质量相当于 62 个太阳的黑洞。

引力波

看不见的波动以光速向外涟漪扩散开来。扩散得越远,波动就越弱。等最终到达地球的时候,这种引力波造成的时空扭曲已经变得非常微小,无法超过我们星球的热量、噪音以及其他振动而被我们测量到了。

探测发现

LIGO 是由两个相距 1900 英里(约 3058 千米)的 L 型观测站组成的。每一根干涉臂末端的超高纯镜子都不会受到(地球上)振动的干扰。传到此处的引力波会推拉干涉臂,使隧道的长度发生不超过质子直径的改变。

短促的声波

9 月 14 日, LIGO 探测器检测到了它们第一次由引力波引起的振动。转换成声波后,这一振动就变成了短促的声波,向人们传递了十亿年前两个黑洞碰撞发出的回声。

图片版权: LIGO 、加州理工学院、麻省理工学院、Simulating eXtreme Spacetimes 项目;制图:Jonathan Corum

特纳博士还说:“发出引力波天空中最响亮信号的是宇宙中最奇异的东西:黑洞、中子星和早期宇宙。”

宇宙黑暗面的前景似乎一片光明。

“肯定还有更加重大的惊喜等着我们去发现,当一扇新的窗口打开的时候,情况总是如此。”现在已经退休了的前 LIGO 研究人员索恩博士说道。

德雷弗博士如今患上了痴呆症,住在爱丁堡附近的一间疗养院里,他无法享受到胜利的喜悦了。“过去,罗恩创造性的天赋才能对 LIGO 未来的成功而言至关重要,那也是我们当时把他挖到加州理工学院的原因所在。”索恩博士在一封邮件中写道。

维斯博士如今已经退休了。麻省理工学院授予了他名誉教授的头衔。维斯博士说,他的生活现在更像是一名大学毕业生——修修补补,让设备运转起效。此前,他的这一癖好差点就毁了 LIGO 的探索发现。维斯博士回忆说,黑洞声波传来的三天前,他在利文斯顿观测站惊骇地发现天线读数受到了无线电的干扰。

维斯博士告诉他的同事,那得好好修一修。他恳请同事们推迟工程性运行。但是他的同事们反对说,一切都准备就绪了,要想停止项目为时已晚。他们可真走运。

维斯博士说:“我们差一点就错过了这场重大的盛事。”

翻译:熊猫译社 于义 钱功毅

题图版权:sciencemag.org

本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报
下载APP,好文好书随时看
来自:lindan9997  > 科技进展
举报
[荐]  原创奖励计划来了,万元大奖等你拿!
猜你喜欢
类似文章
美科学家探测到引力波 印证爱因斯坦百年前预言
黑洞形成之谜又有新发现 第3次发现引力波
从预测到现实:引力波的搜寻史
科学家再次探测到引力波 还是双黑洞并合(图)
是引力波,也是自主招生考点!
轰动世界:人类探到了引力波丨3分钟视频,可秒懂
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!