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发现引力波:宇宙探秘新一程

来源:北京日报2016-02-17

美国路易斯安那州利文斯顿市的激光干涉引力波天文台的资料照片。

爱因斯坦有关引力波的原始文件。

新闻背景

2月11日,LIGO(激光干涉引力波天文台)宣布:发现距离地球约13亿光年的两个黑洞并合产生的引力波。此发现不仅证实引力波的存在,而且补上了爱因斯坦提出的广义相对论一块关键的拼图。

如果爱因斯坦现在还活着,他将会再次获得诺贝尔奖。当然今天引力波的发现者也有充分的理由荣膺这一殊荣。

广义相对论为什么要改变引力观

为什么苹果总是垂直地落到地面?为什么不从侧面又或是向上,而是永远朝向地球的中心?一定有某种力量把苹果垂直地拉向地面。这种力量甚至可以延伸到更远的距离以至于整个广袤的宇宙空间。正是引力把宇宙中的物质聚集在一起,孕育了璀璨的宇宙结构乃至生命。

1687年,牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中正式发表了他的引力理论:“宇宙中每个质点都以一种力吸引着其它各个质点。这种力与各质点的质量乘积成正比,与它们之间的距离平方成反比。”引力并非只存在于特定的质点之间,而是普遍存在于宇宙中任何两个质点之间。因此引力是“万有的”。那个时代的人们信奉绝对的时空观:时间就是时间、空间就是空间,这两者是截然不同的两个概念。在牛顿引力理论中质点间引力相互作用的传递不需要时间,而是在空间上瞬间传递。这种观念主导了之后两百多年人类对引力的认知。

直到1905年,爱因斯坦提出狭义相对论才打破自牛顿以来建立的绝对时空观。在狭义相对论中,时间和空间不再是完全独立的概念:时间和空间是相对的。无论光源如何运动,真空中的光速对于不同的观测者都是有限且一样的,而且任何相互作用的传递都不能超过光速。这明显与牛顿引力理论相冲突。

为了协调牛顿引力理论和狭义相对论,1915年爱因斯坦提出了广义相对论。引力被解释为时空几何的弯曲,这种弯曲又直接由时空中物质的能量动量张量决定。地球对苹果的引力源于地球巨大的质量扭曲了地球周围的时空,苹果在被地球扭曲的时空背景上向着地心运动。就像在一张蹦床中间放置一个铅球,这个铅球改变了蹦床的形状。如果再在蹦床上放置一个网球,那么这个网球就会向着这个铅球的中心滚落。看上去就像是这个铅球在吸引着这个网球向它靠拢。对普罗大众而言,广义相对论听起来像是一个高度抽象而又与大家每天的生活完全无关的理论。事实绝非如此!比如现在广泛使用的全球定位系统就需要计入狭义和广义相对论的修正才得以实时地精准测定地面上物体的位置。

在牛顿引力理论中引力是瞬时传播的,因此没有引力波。但是,在广义相对论中物质对时空几何的影响不是瞬时的,引力相互作用传递的速度不能超过光速。这种传播速度的限制导致引力波的存在。加速一个有质量的物体时,这个物体所产生的时空弯曲所发生的变化会以光速像波一样向外传播。这就是引力波。1916年爱因斯坦写下了广义相对论中引力波的精确公式,从而预言存在以光速传播的引力波。

“激光干涉效应”是个天才设想

当引力波迎面穿过遥远的观测者时,观测者会发现他一会儿变高变瘦、一会儿又变矮变胖、一会儿又变高变瘦,如此循环往复。

尽管爱因斯坦预言存在引力波,但是由于引力波辐射的能量常常过于微小,以至于在所能想到的情况下引力波辐射都是可以忽略不计的。地球距离半人马座如此遥远以至于光都需要跑上大约4.3亿年。但是引力波造成地球和半人马座之间距离的变化也就只有约一根头发丝般大小。探测引力波就是要去发现如此微小的距离变化。或许爱因斯坦甚至都未曾想过他当年所预言的引力波在百年之后的今天真的可以被探测到!看来做科学研究也是要敢想才会赢。

很显然,要探测到引力波需要两个条件:其一是要有足够强的引力波源;其二是要有足够灵敏的探测器。

宇宙中有各种各样的引力波源。螺旋形相互靠近的两个致密天体在相互环绕和并合时会发射出强大的引力波。就像两个铅球在蹦床上相互环绕运动时蹦床会起伏、震颤,而且这种起伏、震颤像波浪一样向外传播。这两个天体越重,它们靠得越近,那么这样的一个双星系统产生的引力波就越强。要同时满足这两个条件需要这两个天体十分致密。在宇宙中这样的致密天体主要有白矮星、中子星和黑洞。特别是黑洞,它在极小的半径内聚集大量的质量,以至于产生极强的引力导致光都无法从中逃逸出来。举一个例子:太阳的质量大约是2千亿亿亿吨,半径大约是70万公里,而一个和太阳同等质量的黑洞的半径只有约3公里。一般认为最有希望探测到的引力波将会来自双黑洞并合。不幸的是双黑洞并合的事件在我们的银河系中大约每百万年才发生一次。如果探测距离可以扩展到数十亿光年的距离,这个距离之内有数百万个星系,那么人们仍有机会探测到在遥远的地方发生的黑洞并合所释放出来的引力波。

要测量微小的距离变化,就需要想办法把这种微小的变化尽可能地放大到足以被感知的程度。上世纪九十年代,美国麻省理工大学的维斯就想到一个绝妙的办法:利用激光的干涉效应来侦测引力波。简单来说就是让一束激光以45度角打到一个半透镜上。之后这束激光被分成两束分别朝着透射和反射两个互相垂直的方向行进,然后各自撞到一面反射镜后反射回来重新汇聚。如果两面反射镜和透射镜的距离精确相等,汇聚后的激光就会由于干涉而相互抵消。当引力波传来时,这两面反射镜到透射镜的距离就会发生微小的变化(沿着一个方向收缩,沿其垂直方向延展)。这种微小的距离变化最终影响汇聚后激光的干涉条纹。这就是利用激光干涉探测引力波的基本原理。

相距遥远的两个天文台真的测到了

美国加州理工大学的索恩发现激光干涉的方法确实可行。于是,麻省理工大学和加州理工大学在美国合作建造了两个激光干涉引力波天文台。激光干涉引力波天文台呈巨大的L形分布,像巨人的两条手臂一样垂直摆放。臂长越长探测引力波的灵敏度也就越高,但是也就意味着更高的技术要求和更多的经费预算。最后他们决定建造两个臂长为4公里的激光干涉引力波天文台。

按照初步的估算,一个双黑洞系统并合时发出的引力波,经过这样的激光干涉引力波天文台时产生的形变也不过一根头发丝的1万亿分之一,或者一个原子的1亿分之一!甚至一辆卡车经过或者一次轻微的地震都足以产生比这大得多的影响。因此激光干涉引力波天文台需要建造在人迹罕至的地下,并将光学装置置于结构复杂的防振台上用以尽量减小地震带来的影响。为降低空气分子热运动的影响,他们又将光路置于几乎完全真空的环境。当然这些都还远远不够。为了减小特定地域偶然的人类活动或地震等产生的影响,他们把这两个天文台分别建在距离3030公里的路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德。只有这两个距离如此遥远的天文台同时探测到的信号才有可能真的来自引力波。

这两个激光干涉引力波天文台于1999年11月建成。在停止运行并升级应用了很多新技术后,相较于2010年探测灵敏度提高了大约4倍的aLIGO(advanced LIGO,即提升的激光干涉引力波天文台)于2015年9月开始运行。到2021年它的灵敏度有望再提升大约2.5倍。届时提升的激光干涉引力波天文台所能探测的宇宙空间,比原来的激光干涉引力波天文台要大1000倍。

按照最初的预计,2015年三个月的运行时间内,提升的激光干涉引力波天文台有可能观测到大约0.0004到3个双中子星系统释放出来的引力波信号。十分幸运的是,这两个相距3030公里的激光干涉引力波天文台在开始运行后很短的时间内,即2015年9月14日,同时测量到一个相同的引力波信号。这有力地证明这个信号应当不是由偶然的人类活动或者地震造成的,而确实是来自引力波产生的时空扭曲。

经过细致的分析,他们的结论是这个信号发自距离地球约13亿光年、质量大约分别为36和29个太阳质量的两个黑洞的并合。并合后形成一个质量约为62个太阳质量的黑洞,释放出能量大约相当于3个太阳质量的引力波。他们真的做到了!这是一个不可思议的成功。文章正式发表在2016年2月的《物理评论快报》。现在全世界的人都在关注,他们的成功意义非凡!

探索宇宙奥秘有了新利器

发现引力波不仅为了证实引力波和爱因斯坦的引力理论,而在于它开启了一个全新的方式去窥视宇宙的奥秘。人类从此可以摆脱完全依赖电磁信号(包括可见光和射电)来探索宇宙的单一方法。事实上,宇宙中有很多物理过程很难用电磁信号来探究。经典意义下黑洞是黑的,它完全不发光,因此光信号并不能很好地帮助我们了解黑洞的基本物理。即便黑洞有霍金辐射存在,一个宏观的黑洞所产生的霍金辐射也太过于细微而无法察觉。

此外,在年龄小于38万年的宇宙中充满了带电的粒子,这些粒子和光强烈的耦合在一起,以至于光都无法在宇宙中自由地传播。因此光信号也不能穿透到宇宙的早期。但是,引力是万有的,引力波可以在真空又或是充斥着致密物质的区域中自由传播,无法阻隔。因此引力波可以直接携带大量有关黑洞、中子星、超新星的核心,以及宇宙起源等等的信息,甚至于最终帮助我们理解极为深奥的时空的本质。

提升的激光干涉引力波天文台发现双黑洞并合所释放出来的引力波仅仅是个开端。相信它在不远的将来可以发现更多来自不同引力系统发射出来的引力波。与此同时,欧洲和日本也都在兴建新的激光干涉引力波天文台,例如欧洲的VIRGO和日本的KAGRA(北京师范大学天文系主任朱宗宏教授是此项目的参与人之一。去年朱宗宏教授与参与LIGO的美国加州理工大学陈雁北教授在中国科学院卡弗里理论物理研究所举办了引力波天文学的一个大型国际会议,并在《中国科学》英文版出版了介绍引力波天文学的学术专刊)。这些天文台将组成一个全球引力波探测网络。基于太空的探测装置计划也在筹备之中,比如由欧洲主导的eLISA(中科院有可能参与此项目,它的技术验证卫星已于2015年12月3日发射升空),以及由我国中山大学主导的天琴计划等。毫无疑问,基于引力波的发现,人类对宇宙的认识将会大踏步向前进。

延伸阅读

引力波存在早有间接证据

虽然这一次LIGO的发现,是“直接”测到了引力波,然而过去已有显著的“间接”证据支持它的存在。最著名的是对于脉冲星双星系统的观测。

20世纪70年代,美国科学家罗素·赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)在1974年观测到一个脉冲星与另一个中子星组成的双星系统,以极其紧密而快速的模式互相环绕对方,并且呈现了渐进式的旋近。根据广义相对论,此双星系统会以辐射引力波的形式损失能量,从而导致轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减少3.5米,预计大约经过3亿年后发生合并。观测的结果表明旋近周期的变化恰好是广义相对论所预期的值。尽管引力波给予此双星系统周期变化提供一个合理的解释,但是并没有直接观测到引力波造成的时空的扭曲,因此只能认为是为引力波的存在提供一个间接的证据。

尽管如此,这项工作也让两位科学家获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

(作者为中国科学院理论物理研究所研究员)

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发现引力波:宇宙探秘新一程

2016-02-17 02:30:55 来源: 0 条评论
【摘要】 美国路易斯安那州利文斯顿市的激光干涉引力波天文台的资料照片。按照最初的预计,2015年三个月的运行时间内,提升的激光干涉引力波天文台有可能观测到大约0.0004到3个双中子星系统释放出来的引力波信号。提升的激光干涉引力波天文台发现双黑洞并合所释放出来的引力波仅仅是个开端。

美国路易斯安那州利文斯顿市的激光干涉引力波天文台的资料照片。

爱因斯坦有关引力波的原始文件。

新闻背景

2月11日,LIGO(激光干涉引力波天文台)宣布:发现距离地球约13亿光年的两个黑洞并合产生的引力波。此发现不仅证实引力波的存在,而且补上了爱因斯坦提出的广义相对论一块关键的拼图。

如果爱因斯坦现在还活着,他将会再次获得诺贝尔奖。当然今天引力波的发现者也有充分的理由荣膺这一殊荣。

广义相对论为什么要改变引力观

为什么苹果总是垂直地落到地面?为什么不从侧面又或是向上,而是永远朝向地球的中心?一定有某种力量把苹果垂直地拉向地面。这种力量甚至可以延伸到更远的距离以至于整个广袤的宇宙空间。正是引力把宇宙中的物质聚集在一起,孕育了璀璨的宇宙结构乃至生命。

1687年,牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中正式发表了他的引力理论:“宇宙中每个质点都以一种力吸引着其它各个质点。这种力与各质点的质量乘积成正比,与它们之间的距离平方成反比。”引力并非只存在于特定的质点之间,而是普遍存在于宇宙中任何两个质点之间。因此引力是“万有的”。那个时代的人们信奉绝对的时空观:时间就是时间、空间就是空间,这两者是截然不同的两个概念。在牛顿引力理论中质点间引力相互作用的传递不需要时间,而是在空间上瞬间传递。这种观念主导了之后两百多年人类对引力的认知。

直到1905年,爱因斯坦提出狭义相对论才打破自牛顿以来建立的绝对时空观。在狭义相对论中,时间和空间不再是完全独立的概念:时间和空间是相对的。无论光源如何运动,真空中的光速对于不同的观测者都是有限且一样的,而且任何相互作用的传递都不能超过光速。这明显与牛顿引力理论相冲突。

为了协调牛顿引力理论和狭义相对论,1915年爱因斯坦提出了广义相对论。引力被解释为时空几何的弯曲,这种弯曲又直接由时空中物质的能量动量张量决定。地球对苹果的引力源于地球巨大的质量扭曲了地球周围的时空,苹果在被地球扭曲的时空背景上向着地心运动。就像在一张蹦床中间放置一个铅球,这个铅球改变了蹦床的形状。如果再在蹦床上放置一个网球,那么这个网球就会向着这个铅球的中心滚落。看上去就像是这个铅球在吸引着这个网球向它靠拢。对普罗大众而言,广义相对论听起来像是一个高度抽象而又与大家每天的生活完全无关的理论。事实绝非如此!比如现在广泛使用的全球定位系统就需要计入狭义和广义相对论的修正才得以实时地精准测定地面上物体的位置。

在牛顿引力理论中引力是瞬时传播的,因此没有引力波。但是,在广义相对论中物质对时空几何的影响不是瞬时的,引力相互作用传递的速度不能超过光速。这种传播速度的限制导致引力波的存在。加速一个有质量的物体时,这个物体所产生的时空弯曲所发生的变化会以光速像波一样向外传播。这就是引力波。1916年爱因斯坦写下了广义相对论中引力波的精确公式,从而预言存在以光速传播的引力波。

“激光干涉效应”是个天才设想

当引力波迎面穿过遥远的观测者时,观测者会发现他一会儿变高变瘦、一会儿又变矮变胖、一会儿又变高变瘦,如此循环往复。

尽管爱因斯坦预言存在引力波,但是由于引力波辐射的能量常常过于微小,以至于在所能想到的情况下引力波辐射都是可以忽略不计的。地球距离半人马座如此遥远以至于光都需要跑上大约4.3亿年。但是引力波造成地球和半人马座之间距离的变化也就只有约一根头发丝般大小。探测引力波就是要去发现如此微小的距离变化。或许爱因斯坦甚至都未曾想过他当年所预言的引力波在百年之后的今天真的可以被探测到!看来做科学研究也是要敢想才会赢。

很显然,要探测到引力波需要两个条件:其一是要有足够强的引力波源;其二是要有足够灵敏的探测器。

宇宙中有各种各样的引力波源。螺旋形相互靠近的两个致密天体在相互环绕和并合时会发射出强大的引力波。就像两个铅球在蹦床上相互环绕运动时蹦床会起伏、震颤,而且这种起伏、震颤像波浪一样向外传播。这两个天体越重,它们靠得越近,那么这样的一个双星系统产生的引力波就越强。要同时满足这两个条件需要这两个天体十分致密。在宇宙中这样的致密天体主要有白矮星、中子星和黑洞。特别是黑洞,它在极小的半径内聚集大量的质量,以至于产生极强的引力导致光都无法从中逃逸出来。举一个例子:太阳的质量大约是2千亿亿亿吨,半径大约是70万公里,而一个和太阳同等质量的黑洞的半径只有约3公里。一般认为最有希望探测到的引力波将会来自双黑洞并合。不幸的是双黑洞并合的事件在我们的银河系中大约每百万年才发生一次。如果探测距离可以扩展到数十亿光年的距离,这个距离之内有数百万个星系,那么人们仍有机会探测到在遥远的地方发生的黑洞并合所释放出来的引力波。

要测量微小的距离变化,就需要想办法把这种微小的变化尽可能地放大到足以被感知的程度。上世纪九十年代,美国麻省理工大学的维斯就想到一个绝妙的办法:利用激光的干涉效应来侦测引力波。简单来说就是让一束激光以45度角打到一个半透镜上。之后这束激光被分成两束分别朝着透射和反射两个互相垂直的方向行进,然后各自撞到一面反射镜后反射回来重新汇聚。如果两面反射镜和透射镜的距离精确相等,汇聚后的激光就会由于干涉而相互抵消。当引力波传来时,这两面反射镜到透射镜的距离就会发生微小的变化(沿着一个方向收缩,沿其垂直方向延展)。这种微小的距离变化最终影响汇聚后激光的干涉条纹。这就是利用激光干涉探测引力波的基本原理。

相距遥远的两个天文台真的测到了

美国加州理工大学的索恩发现激光干涉的方法确实可行。于是,麻省理工大学和加州理工大学在美国合作建造了两个激光干涉引力波天文台。激光干涉引力波天文台呈巨大的L形分布,像巨人的两条手臂一样垂直摆放。臂长越长探测引力波的灵敏度也就越高,但是也就意味着更高的技术要求和更多的经费预算。最后他们决定建造两个臂长为4公里的激光干涉引力波天文台。

按照初步的估算,一个双黑洞系统并合时发出的引力波,经过这样的激光干涉引力波天文台时产生的形变也不过一根头发丝的1万亿分之一,或者一个原子的1亿分之一!甚至一辆卡车经过或者一次轻微的地震都足以产生比这大得多的影响。因此激光干涉引力波天文台需要建造在人迹罕至的地下,并将光学装置置于结构复杂的防振台上用以尽量减小地震带来的影响。为降低空气分子热运动的影响,他们又将光路置于几乎完全真空的环境。当然这些都还远远不够。为了减小特定地域偶然的人类活动或地震等产生的影响,他们把这两个天文台分别建在距离3030公里的路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德。只有这两个距离如此遥远的天文台同时探测到的信号才有可能真的来自引力波。

这两个激光干涉引力波天文台于1999年11月建成。在停止运行并升级应用了很多新技术后,相较于2010年探测灵敏度提高了大约4倍的aLIGO(advanced LIGO,即提升的激光干涉引力波天文台)于2015年9月开始运行。到2021年它的灵敏度有望再提升大约2.5倍。届时提升的激光干涉引力波天文台所能探测的宇宙空间,比原来的激光干涉引力波天文台要大1000倍。

按照最初的预计,2015年三个月的运行时间内,提升的激光干涉引力波天文台有可能观测到大约0.0004到3个双中子星系统释放出来的引力波信号。十分幸运的是,这两个相距3030公里的激光干涉引力波天文台在开始运行后很短的时间内,即2015年9月14日,同时测量到一个相同的引力波信号。这有力地证明这个信号应当不是由偶然的人类活动或者地震造成的,而确实是来自引力波产生的时空扭曲。

经过细致的分析,他们的结论是这个信号发自距离地球约13亿光年、质量大约分别为36和29个太阳质量的两个黑洞的并合。并合后形成一个质量约为62个太阳质量的黑洞,释放出能量大约相当于3个太阳质量的引力波。他们真的做到了!这是一个不可思议的成功。文章正式发表在2016年2月的《物理评论快报》。现在全世界的人都在关注,他们的成功意义非凡!

探索宇宙奥秘有了新利器

发现引力波不仅为了证实引力波和爱因斯坦的引力理论,而在于它开启了一个全新的方式去窥视宇宙的奥秘。人类从此可以摆脱完全依赖电磁信号(包括可见光和射电)来探索宇宙的单一方法。事实上,宇宙中有很多物理过程很难用电磁信号来探究。经典意义下黑洞是黑的,它完全不发光,因此光信号并不能很好地帮助我们了解黑洞的基本物理。即便黑洞有霍金辐射存在,一个宏观的黑洞所产生的霍金辐射也太过于细微而无法察觉。

此外,在年龄小于38万年的宇宙中充满了带电的粒子,这些粒子和光强烈的耦合在一起,以至于光都无法在宇宙中自由地传播。因此光信号也不能穿透到宇宙的早期。但是,引力是万有的,引力波可以在真空又或是充斥着致密物质的区域中自由传播,无法阻隔。因此引力波可以直接携带大量有关黑洞、中子星、超新星的核心,以及宇宙起源等等的信息,甚至于最终帮助我们理解极为深奥的时空的本质。

提升的激光干涉引力波天文台发现双黑洞并合所释放出来的引力波仅仅是个开端。相信它在不远的将来可以发现更多来自不同引力系统发射出来的引力波。与此同时,欧洲和日本也都在兴建新的激光干涉引力波天文台,例如欧洲的VIRGO和日本的KAGRA(北京师范大学天文系主任朱宗宏教授是此项目的参与人之一。去年朱宗宏教授与参与LIGO的美国加州理工大学陈雁北教授在中国科学院卡弗里理论物理研究所举办了引力波天文学的一个大型国际会议,并在《中国科学》英文版出版了介绍引力波天文学的学术专刊)。这些天文台将组成一个全球引力波探测网络。基于太空的探测装置计划也在筹备之中,比如由欧洲主导的eLISA(中科院有可能参与此项目,它的技术验证卫星已于2015年12月3日发射升空),以及由我国中山大学主导的天琴计划等。毫无疑问,基于引力波的发现,人类对宇宙的认识将会大踏步向前进。

延伸阅读

引力波存在早有间接证据

虽然这一次LIGO的发现,是“直接”测到了引力波,然而过去已有显著的“间接”证据支持它的存在。最著名的是对于脉冲星双星系统的观测。

20世纪70年代,美国科学家罗素·赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)在1974年观测到一个脉冲星与另一个中子星组成的双星系统,以极其紧密而快速的模式互相环绕对方,并且呈现了渐进式的旋近。根据广义相对论,此双星系统会以辐射引力波的形式损失能量,从而导致轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减少3.5米,预计大约经过3亿年后发生合并。观测的结果表明旋近周期的变化恰好是广义相对论所预期的值。尽管引力波给予此双星系统周期变化提供一个合理的解释,但是并没有直接观测到引力波造成的时空的扭曲,因此只能认为是为引力波的存在提供一个间接的证据。

尽管如此,这项工作也让两位科学家获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

(作者为中国科学院理论物理研究所研究员)

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