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引力波,一个世纪的求索

ligo发现引力波 引力波 引力波探测 引力波传播是瞬时的 引力波通信 引力波被发现 引力波天线 激光干涉引力波天文台 目前已经观测到引力波

胡一鸣 发表于  2016-02-10 14:38

400多年前,当伽利略第一次将望远镜指向星空时,一个新的时代开启了。从那时起,天文学家用一个又一个震撼人心的观测不断拓展着人类的视野。经过漫长的发展和技术进步,今天的天文观测早已今非昔比,然而本质上,观测星空的天文学家手里的工具基本上万变不离其宗:用越来越大的口径接收来自天体的光子,并用越来越灵敏的探测器记录它们。

而今年,在爱因斯坦提出广义相对论整整一个世纪的历史性时刻,我们站在了一个新时代的起点:通过位于美国列文斯顿和汉福德的高新引力波探测器,人类有望在不远的将来捕捉到时空的涟漪,用一种前所未有的方式看待这个世界。

那么,什么是引力波呢?

要理解引力波,其实也不难。

用一句话来概括广义相对论,那就是:时空命令物质如何运动,而物质引导时空如何弯曲。当物质的分布改变时,时空也会相应变化,这一变化以光速传播开去,就好像在平静的湖面上丢下一粒小石子,湖面就会有一圈波浪向外荡去,时空也会将涟漪向外传开,这便是引力波了。

关于引力波的强度,爱因斯坦也很快计算了出来——非常微弱。假设迎面走来一串引力波,你会变高变瘦,接下来变矮变胖,再变高变瘦⋯⋯ 当然,想靠引力波改变体型是不可能了,除非你就站在引力波波源附近(友情提醒:黑洞有100种方法让你在它旁边活不下去,如果你想试试,黑洞是不介意陪你玩玩的),否则引力波只会把你的身高拉高(然后压扁)那么一点点——大概就是一个氢原子的100亿分之一吧。


由两个黑洞产生的引力波的3D示意图。图片来源:Henze,NASA

引力波是物理实际吗?

然而,接下来爱因斯坦却犯了难。在引入线性、低速等近似之后,得到的这么一个叫做引力波的东西,到底是数学上的一个游戏,还是一种物理的实际?要知道,通过坐标变换,似乎是可以消除引力波的呀!

回首100年前,那是很少有人能真正理解广义相对论的时代,甚至爱因斯坦本人在一些问题上也犯下不少错误。最著名的例子就是宇宙学常数Λ了。当初为了维持静态宇宙而人为引入的参数,在哈勃用观测事实向世人证明宇宙的膨胀后,被爱因斯坦不无遗憾地承认为其“一生最大的错误”。

在接下来的几年中,爱因斯坦几次修改对引力波的判断。广义相对论的开山鼻祖尚且摸不着头脑,别的科学家更是莫衷一是。引力波强度微弱暂且不论,在它是否存在都有争议的情况下,任何严肃的探测引力波的努力都很难让人信服。

直到 1955 年费曼在一个会议上提出了著名的“粘珠”思想实验后,这一情况才基本尘埃落定。费曼的论证是这样的:想象一个珠子穿在一根柱子上,并且可以自由移动,垂直于柱子方向如果有引力波经过,将会产生相对于柱子中心的引潮力。而珠子在引潮力的作用下会相对柱子运动,如果有摩擦就会产热,所以引力波是物理实际的。一干物理学家要求费曼说人话,于是有一个叫做赫尔曼·邦迪的青年帮费曼总结了一下:引力波在理论上会导致物体摩擦生热,热就是能,它的源头只能是引力波,所以引力波肯定有能量。如果引力波仅仅是一个数学游戏,它不可能无中生有地产生能量,所以它是有物理对应的。


费曼的“粘珠”思想实验。图片来源:wordpress.com

确定引力波是真实存在的物理效应以后,终于可以考虑探测的问题了。

探测引力波,简单来说,很难。

和电磁波相比,引力实在是很弱的力,比起表征电磁力强度的精细结构常数,表征引力强度的引力常数G要小上好几个数量级。而且引力波实在是很“懒”,很少与物质发生任何作用。假设一列引力波以平面波形式传播,在真空的宇宙空间中,它不会有任何衰减,永远传递下去。但如果存在物质,就会与引力波相互作用并吸收一部分引力波携带的能量。

设想宇宙中堆满了番茄酱,正如费曼所指出的那样,引力波经过这堆番茄酱时,多少会损耗一些能量。那么这垛番茄酱砌成的墙得多厚,才能吸收掉 1%的引力波能量呢?1光年?1000光年?100万光年?都不是!答案是,差不多 400万亿光年!要知道,可观测宇宙的尺度也不过是1000亿光年左右。也就是说,要把4000个宇宙首尾相连,堆满番茄酱,当一个引力波穿过之后,也不过才损失了1%的能量(顺便提一下,这个过程需要花上400万亿年)。

那么,我们到底怎样才能测量引力波呢?脑洞大开的科学家憋着什么大招呢?欲知详情如何,且听我下回分解。

(编辑:Steed)

文章题图:ibtimes.co.uk

热门评论

  • 2016-02-10 17:40 Mr.CWM
    引用文章内容:一干物理学家要求费曼说人话


    [69] 评论
  • 2016-02-10 15:11 天降龙虾
    引用文章内容:欲知详情如何,且听我下回分解。

    你以为你在写《西游记》啊?????

    [33] 评论
  • 2016-02-10 19:21 千面狐

    让我想起了《三体》里的引力波通信,完爆目前一切的手段。

    [20] 评论

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全部评论(111)
  • 1楼
    2016-02-10 14:58 Geek42

    杀!

    [0] 评论
  • 2楼
    2016-02-10 15:10 已注销用户

    说人话

    [10] 评论
  • 3楼
    2016-02-10 15:11 天降龙虾
    引用文章内容:欲知详情如何,且听我下回分解。

    你以为你在写《西游记》啊?????

    [33] 评论
  • 4楼
    2016-02-10 15:14 天降龙虾

    作者是胡一菲的弟弟么??????

    [2] 评论
  • 5楼
    2016-02-10 16:15 言十辰知

    看不懂

    [2] 评论
  • 6楼
    2016-02-10 17:02 fxz12345

    最近听说有关于引力波的证据出现,但怎么果壳上都没相关主题出现呢……

    [3] 评论
  • 7楼
    2016-02-10 17:28 濠水里的鱼

    一个世纪的求索,这次是真的找到了吗?

    [0] 评论
  • 8楼
    2016-02-10 17:40 Mr.CWM
    引用文章内容:一干物理学家要求费曼说人话


    [69] 评论
  • 9楼
    2016-02-10 18:46 moranshouwang

    引力波天线,第一次听说引力波的时候

    [0] 评论
  • 10楼
    2016-02-10 19:21 千面狐

    让我想起了《三体》里的引力波通信,完爆目前一切的手段。

    [20] 评论
  • 11楼
    2016-02-10 19:41 lequ

    看不懂,感觉高大上!

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  • 12楼
    2016-02-10 20:06 天启骑士

    每一个字都看懂,连在一起真的不知道啥意思。。。

    [4] 评论
  • 13楼
    2016-02-10 20:25 李艶民

    这么来说 引力波可以作为宇宙探索的可靠能量来源,超出太阳系后在没有阳光的情况下仍可以产生能量推着飞船走。类似于波浪可以推着水中的船走一样(可以把引力波能量转化)

    [2] 评论
  • 14楼
    2016-02-10 20:38 combok

    下回该不会是那个日食实验吧

    [0] 评论
  • 15楼
    2016-02-10 20:38 枪打出头鸟
    引用文章内容:设想宇宙中堆满了番茄酱,正如费曼所指出的那样,引力波经过这堆番茄酱时,多少会损耗一些能量。那么这垛番茄酱砌成的墙得多厚,才能吸收掉 1%的引力波能量呢?

    一干物理学家:说人话!

    [3] 评论
  • 16楼
    2016-02-10 20:39 kjfddfjk
    可观测宇宙的尺度也不过是1000亿光年左右

    问下这句话的证据是什么?据我所知现在可观测的最远距离只有150亿光年左右

    [2] 评论
  • 17楼
    2016-02-10 20:39 官明彦
    引用@天降龙虾 的话:作者是胡一菲的弟弟么??????

    弟弟不是陆展博么

    [0] 评论
  • 18楼
    2016-02-10 21:01 卅貓 建筑学专业,分形艺术小组管理员
    引用@李艶民 的话:这么来说 引力波可以作为宇宙探索的可靠能量来源,超出太阳系后在没有阳光的情况下仍可以产生能量推着飞船走。类似于波浪可以推着水中的船走一样(可以把引力波能量转化)

    ……引力那么弱……

    [1] 评论
  • 19楼
    2016-02-10 21:04 Chemiholic

    前排!

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  • 20楼
    2016-02-10 21:05 北川映秀

    引力波和中微子哪个是未来通讯手段的发展方向?

    买定离手

    [0] 评论
  • 21楼
    2016-02-10 21:06 炸鱼薯条德里克

    这果壳的科学人文章居然也能下回分解了?!

    [0] 评论
  • 22楼
    2016-02-10 21:07 卅貓 建筑学专业,分形艺术小组管理员
    如果引力波仅仅是一个数学游戏,它不可能无中生有地产生能量,所以它是有物理对应的。

    我特别不理解这一句话

    数学游戏是什么?能量不能是数学游戏吗?

    [0] 评论
  • 23楼
    2016-02-10 21:44 Kallima
    引用文章内容:欲知详情如何,且听我下回分解。

    (╯‵□′)╯︵┻━┻

    [0] 评论
  • 24楼
    2016-02-10 21:47 传说Shu
    引用@kjfddfjk 的话:问下这句话的证据是什么?据我所知现在可观测的最远距离只有15...

    是探测?

    [0] 评论
  • 25楼
    2016-02-10 22:08 死理科宅
    引用@fxz12345 的话:最近听说有关于引力波的证据出现,但怎么果壳上都没相关主题出现呢……

    估计就是那个“下回分解”要讲的东西了

    [1] 评论
  • 26楼
    2016-02-10 22:14 死理科宅
    引用@卅貓 的话:我特别不理解这一句话数学游戏是什么?能量不能是数学游戏吗?

    首先,你要接受这么一个设定:物理学离不开数学计算,但数学计算的结果可能不存在于现实中。就像一元二次方程有两个根,但在实数范围内有时只有一解(此时另外一个即为“数学游戏”的结果)

    作为一个理论物理学家,爱因斯坦的理论构建大量依靠数学推演,所以他的理论中有很多结果是要被舍掉的(有些当时他自己舍掉了,有些后来被后人否定),剩下的才属于实际能用的理论。

    而能量,我们可以用数学去描述,但不能认为能量是数学的产物。人家可是好好存在于这世上的。

    [3] 评论
  • 27楼
    2016-02-10 22:26 卅貓 建筑学专业,分形艺术小组管理员
    引用@死理科宅 的话:首先,你要接受这么一个设定:物理学离不开数学计算,但数学计算的结果可能不存在于现实中。就像一元二次方程有两个根,但在实数范围内有时只有一解(此时另外一个即为“数学游戏”的结果)作为一个理论物理学家,爱...

    我认为你的回复对我没有帮助

    [1] 评论
  • 28楼
    2016-02-10 22:34 死理科宅
    引用@卅貓 的话:我认为你的回复对我没有帮助

    【吐血】

    [1] 评论
  • 29楼
    2016-02-10 23:31 vx13
    引用@卅貓 的话:我认为你的回复对我没有帮助

    他的意思是说,用数学算,可能因为有些条件没考虑到,而算出实际上不存在的假结果。文章里把这种“假结果”称作“数学游戏”了。

    举例来说,就像用勾股定理,拿直角三角形的两个直角边边长算斜边边长,最后要开根号,数学上会给出正负两个边长,但实际的边长肯定是正的,就要舍掉那个负的边长(“数学游戏”)。而理论物理学太复杂,又没那么成熟,不能像现实中算直角三角形边长那样直观地看出哪个结果是“数学游戏”,所以有待科学家们用观察到的结果去鉴别数学推导出来的东西的真伪。

    [4] 评论
  • 30楼
    2016-02-10 23:48 看不见我看不见我

    查了查,哈勃空间望远镜已经运行25年了。

    [0] 评论

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胡一鸣
胡一鸣 原铁杆天文爱好者,曾任南大天文爱好者协会会长。坚守着“道天制志天道,学文言研文学”的座右铭,终于走上了天文研究这条“不归路”。德国马克斯-普朗克引力物理研究所、清华大学博士后,研究引力波。

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