2月11日,加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及“激光干涉引力波天文臺”的研究人員在華盛頓舉行記者會,宣布他們探測到引力波的存在。引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失的“拼圖”。
什么是引力波?
很多人都聽說過愛因斯坦的廣義相對論,但并不知道它講了什么。事實上,廣義相對論的很多推論是人們的直覺無法理解的。比如這一項——引力的定義。
既然稱之為引力波,它必然與引力有關(guān)。所以,在更深一步了解引力波之前,我們需要了解一下人類對于引力的認識過程。17世紀末的物理學(xué)家牛頓看到了下落的蘋果,意識到物體之間普遍存在的一種力,稱之為“引力”,并且將其數(shù)學(xué)化,這就是我們熟知的——萬有引力。
萬有引力認識的精髓是物體質(zhì)量的存在導(dǎo)致了引力,這在牛頓之后的兩百多年里被認為是宇宙間的絕對真理。直到1905年狹義相對論發(fā)表,再到1915年廣義相對論的發(fā)表,愛因斯坦提出了一種完全不同的對于引力的看法,引力是因為質(zhì)量對于時空造成了變形所導(dǎo)致,而非質(zhì)量之間的吸引。在廣義相對論中,引力被歸咎于時空的彎曲。它的意思是,我們平時看到的空間貌似是平直的,但真實的情況中,卻是像哈哈鏡里一樣扭曲的。這種扭曲是物質(zhì)造成的,質(zhì)量越大,扭曲就越大。這就意味著,我們時空可被當(dāng)做一種可以變形的介質(zhì)來認識。所以引力波,簡單來說,就是時空自身的波動。相比較我們熟知的無線電波(或者電磁波),它僅僅是在時空之中傳播的,時空是它的媒介。
人們常說“星辰大?!保绻麑r空視作海洋,那么天體就如同海洋生物一般??梢韵胂?,如果大海中的某個生物搖了搖尾巴、或是晃了晃頭,海水由此所產(chǎn)生的波動就會向外傳播。與此類似,宇宙中某個天體的劇烈活動,會對所在的時空產(chǎn)生擾動,時空自身的波動也會向遠處傳播,如果足夠強,就能夠為地球上的我們所感知。
在引力的世界中,我們的宇宙通常是平靜的??墒窃诒本r間2015年9月14日17點50分45秒,地球上的LIGO探測器卻探測到了來自于宇宙深處距離地球13億光年之外的一場引力風(fēng)暴,來自于一個雙黑洞系統(tǒng)的合并,以它的探測日期命名為GW150914。
兩個黑洞的“火拼”
此次發(fā)布會的另外一個亮點就是雙黑洞。這也是人們首次直接發(fā)現(xiàn)雙黑洞,這兩個黑洞的質(zhì)量分別為26和39太陽質(zhì)量,屬于恒星級黑洞?;蛟S你已經(jīng)聽膩了黑洞,生活中時不時的會聽到某某黑洞爆發(fā)了,某某黑洞吞吃恒星。但是這此發(fā)現(xiàn)卻有些不同,兩個天體都是黑洞,互相繞轉(zhuǎn),最后合并。這聽起來像是一場黑吃黑的火拼,甚至有點兒像港片里熟悉的火爆場面。黑洞合并產(chǎn)生了非常強烈的時空振蕩,所以我們遙遠的地球才觀測到了。
黑洞通常認為是大質(zhì)量(超過25個太陽質(zhì)量)的恒星在其演化的最終階段,恒星中心會形成我們了解的恒星級黑洞。它們的質(zhì)量通常預(yù)計在3個太陽質(zhì)量到100個太陽質(zhì)量之間。因為黑洞本身沒有任何的輻射,所以我們不能直接看到黑洞。我們的銀河系或者其他類似的星系當(dāng)中,每個星系都預(yù)計存在著上千萬個恒星級黑洞,但是絕大多數(shù)的黑洞都是孤獨存在的天體,如同幽靈般,沒有任何輻射或者輻射及其微弱,所以很難被看到。
所幸,有的黑洞處于雙星系統(tǒng)當(dāng)中,而且其中一個天體是正常的恒星。在這種情形之下,黑洞會從正常恒星上吸積氣體,在其周圍產(chǎn)生一個吸積盤,以至于某些時候吸積氣體的量過多,不能被黑洞直接吞掉,這時還會沿著黑洞的兩個轉(zhuǎn)軸將多余的氣體拋射出去,從而產(chǎn)生非常壯觀的噴流。正是因為吸積盤和噴流的存在,他們都能夠產(chǎn)生我們非常熟知的電磁輻射,從而我們利用傳統(tǒng)的探測方式,比如地面或者太空的望遠鏡,就可以間接地探測黑洞的存在。
大約在50年前,人類就是利用此方法發(fā)現(xiàn)了了第一個黑洞候選體,天鵝座X-1 (Cygnus X-1)。在1974年,地球上兩顆聰明的大腦、理論物理學(xué)家霍金和好朋友基普·索恩就這個候選體是不是黑洞而打了個賭,他們以一年的成人雜志《閣樓》作為賭注。后來的觀測是利用天鵝座X-1中的伴星運動測得了黑洞質(zhì)量,大約為15個太陽質(zhì)量,從而霍金認輸并且在兩人的賭書上簽名按上了自己的手印?;铡に鞫鲝哪菚r就贏了。
對于雙黑洞系統(tǒng),他們幾乎不會產(chǎn)生能夠為傳統(tǒng)方式所觀測到的光子。所以,即使它們存在,利用傳統(tǒng)的觀測方式,我們也不能發(fā)現(xiàn)他們。況且,很多人都懷疑它的存在。但是,在雙黑洞繞轉(zhuǎn),尤其是合并之時,會產(chǎn)生很強的引力波。只要引力波探測器足夠靈敏,我們就可以發(fā)現(xiàn)它們的蹤影。面對大家的懷疑,LIGO的發(fā)現(xiàn)用事實證明了它的存在。而此次發(fā)現(xiàn)引力波的天文臺的創(chuàng)建人之一就是基普·索恩——索恩教授又一次贏了。
用圓規(guī)丈量宇宙
從預(yù)言到探測,物理學(xué)家等待引力波的到來已有一百年之久,為什么引力波這么難得一見?主要原因是,相比較其他的幾種力(強力、弱力、電磁力),引力是最弱的,相應(yīng)的引力波效應(yīng)也就很弱。當(dāng)初愛因斯坦在發(fā)表自己新的理論之后,就估算了引力波的強度。引力波的強度通常利用相對變形大小來表示,但是結(jié)果往往是小的可憐,幾乎無法探測到。引力波是時空的自身變形,在一個方向上被拉伸,在其垂直的另外一個方向上就會被壓縮。如果有一天,我們被同樣的雙黑洞系統(tǒng)在合并時所產(chǎn)生的引力波(變化強度為1.0E-21)所擊中的話,理論上來說,我們同樣會經(jīng)歷一個稍微變高變瘦,然后變胖變矮一些的過程。實際上,對我們身高不超過2米的人類來說,導(dǎo)致的變化大約為2E-21,為一個氫原子的五百億分之一。endprint
對于不喜歡睡眠被地震打擾的普通人來說,感受不到宇宙的震動是多么幸福。但物理學(xué)家急需感覺到這種震動,來證明自己確實讀懂了宇宙。于是,他們發(fā)明了世界上最大和最貴的“圓規(guī)”——1991年,麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會(NSF)的資助下,開始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)。不過,LIGO建成后一開始并沒有什么作為,經(jīng)過數(shù)次耗資不菲改造,LIGO總算帶來了好消息。
LIGO的“兩條腿”都有4000米長,長臂中間是高度真空的管子,而在長臂兩端,懸掛著大約直徑34厘米、重達40kg的反射鏡。最近的一次升級就花去了幾十億美元。LIGO的探測器利用激光干涉技術(shù),不間斷地測量每對反射鏡之間的距離。每當(dāng)引力波通過探測器時,人們會探測到兩對反射鏡之間的距離呈現(xiàn)此消彼長的周期性變化。
即使對于LIGO天文臺4公里的長臂,引力波所造成的變化也是極其微小的。對于此次新聞報道中的雙黑洞合并,其可能產(chǎn)生的尺度相對變化最高可為1.0E-21,意味著4公里的長度也僅僅只變化了一個氫原子直徑的2.5千萬分之一。為了達到這個精度,LIGO的科學(xué)家做了許多精密的設(shè)計,保證探測系統(tǒng)的穩(wěn)定,保證LIGO反射鏡的位置隨機漲落小于一個氫原子大小的百億分之一,從而保證可以相對比較容易的探測到可能的引力波源。
引力波能帶來什么?
對物理學(xué)家來說,這輕輕的一震,比《美人魚》、《星球大戰(zhàn)》乃至人類史上所有的電影加起來都好看,因為它蘊含的劇情,是宇宙誕生的畫面。
我們從小都被告知一個最著名的猜想——宇宙是在一場爆炸中誕生的。這意味著,在時空開始,這個大蹦床有一次最劇烈的震動。引力波就能讓我們還原這個震動——它是否存在,有多大規(guī)模,諸如此類。除此之外,引力波還能讓我們知道,看不到的宇宙空間在發(fā)生什么。據(jù)科學(xué)家說,這次的引力波就發(fā)生在我們看不到的超遠的距離外的超級黑洞的變化引起的。如果你是《三體》迷,你就可以理解,如果在很遠的星系一個文明被高階文明炸掉了,我們能夠第一時間通過引力波知道這個事情是多么重要。
一窺宇宙初生
毫無疑問引力波是對廣義相對論的一個最直接的驗證。另外它在弱場中已經(jīng)得到驗證,但是對于強引力之下的驗證,之前卻從來沒有驗證過。所以此次的觀測,是對廣義相對論的一個非常好的檢驗。
引力波以光速傳播,它與物質(zhì)的相互作用非常非常的弱,所以引力波可以給我們提供宇宙幾乎無阻擋的圖景,而這幾乎是無法利用我們熟知的電磁波來達到的。比如,利用引力波,我們可以看到宇宙的最早期,宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒開始的宇宙形成過程,而對于電磁波而言,它最早只能看到大爆炸后的大約30萬年之后的宇宙歷史,在此之前,電磁波是不能給我們提供的。所以引力波是我們了解宇宙形成的最好工具。
如果還記得,在《星際穿越》電影中的結(jié)尾,主人公庫珀身處一個5維時空的超體方體中,為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處4維時空的女兒墨菲,人為的制造引力波效應(yīng),成功將信息傳遞,從而人類得以解救。引力波從目前物理學(xué)家的認識來看,是唯一一種可以在不同維度傳播的波。不同宇宙之間的碰撞,會產(chǎn)生引力波。說不定在不遠的將來,我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。
就如同一個天生的聾啞人,一直在聽別人說聲音的存在,突然有一天聽力恢復(fù)了。就是這種心情。引力波給我們打開了一扇全新的窗口。引力波是一種方式,是一種看待世界的方式。歷史的發(fā)現(xiàn)軌跡告訴我們,每一扇新的窗口被打開,都會有令人稱奇的發(fā)現(xiàn)。雖然LIGO的探測能力有限,一旦這個引力波的世界被撬開了一道小的裂縫,讓我們看到了春天的種子,相信碩果累累的引力波豐收季節(jié)也不會太遠。endprint