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引力波,一个世纪的求索

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

The End

发布于2016-02-10, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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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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