• 打印
  • 收藏
  • 加入书签
添加成功
收藏成功
分享

探测引力波:两亿美元的“赌注”

美国东部时间2016年2月11日上午10时30分,在美国国家科学基金会(NSF)举行的新闻发布会上,两位年逾古稀的老人——76岁的基普·索恩(Kip Thorne)与84岁的雷纳·韦斯(Rainer Weiss),在众人面前起身相拥,庆祝宣布探测到引力波的这一历史时刻。为了这一刻,光头大胡子索恩已追寻、等待了近半个世纪。

在加州理工学院(Caltech)索恩教授的办公室门前,墙上挂着一排相框,一共10个,每一个相框中镶嵌的都是索恩与天文学家或物理学家们打赌的赌约,与史蒂芬·霍金的赌约也在其中。赌的内容各种各样,既有黑洞的性质、“裸奇点”(不存在视界的黑洞)是否存在,也包括预期中宇宙大尺度上的性质。其中有一张手写在Caltech专用信纸上的,是索恩与人打赌自赌约签署的10年内,即在1988年5月5日之前,人类就将探测到引力波。赌注是一顿盛宴。很明显,索恩输了。不过,乐天的他,又于1981年5月6日签下了另一份关于引力波的赌约。这次打赌的对手是普林斯顿大学的耶利米·奥斯泰克,赌的是一箱上等红酒。但科学家们没有在2000年1月1日之前探测到引力波,索恩又输了。

如今,索恩终于赢了。作为美国探测引力波的机构——激光干涉引力波天文台(LIGO)的联合创始人,索恩在发布会上表示,“通过这项发现,我们将开启一段波澜壮阔的征程:探索宇宙弯曲那一面的征程。”

寻找引力波源

“引力是宇宙的统治者,弄明白了它在最细微尺度上的运作机制,也就理解了我们宇宙家园的本质特征。”美国科普作家玛西亚·芭楚莎在解释为什么要寻找引力波时,这样写道。

根据爱因斯坦的广义相对论,四维时空就像某种无限大的弹簧垫,有多种变形:可以被拉伸,也可以被压缩,可以伸直,也可以弯曲,甚至有时还会呈锯齿状。

一个置身于时空舞台上的物体,无论运动还是碰撞,都可以在柔软的时空缎面上漾起层层波纹来。来回晃动一物体,它就会发出携带引力能量的波动。因此,科学家们有一个形象的比喻:引力波是引力引起的时空的涟漪。与弹簧床上的小球跳动时会在床的布面上产生振动并传播出去一样,引力波会像光波一样向外传播。但是,电磁波是在空间中传播的,而引力波是时空自身的波动。这些波动交替着拉伸和挤压空间——就像手风琴演奏时的风箱一样地拉伸和挤压。当引力波遇到行星、恒星或其他物体时,它们不会驻足不前,而是直接穿其身而过,继续赶路,并在此过程中继续使周围的空间不断地膨胀、收缩着。

宇宙中任何有质量的物体都能发射出引力波——只要它运动,但引力波的强度取决于质量的大小和运动的特征。像恒星这样的庞然大物有着强大的引力,但由于它(除随整个星系的运动以外)根本不动,所以只有很少的引力辐射。地球在围绕太阳旋转时,也持续不断地辐射出微弱的引力波,尽管直到宇宙走到生命尽头时,这种辐射效应仍然无法引起我们的注意。月球在围绕地球旋转时辐射出更微弱的引力波。即使玩跳绳的小孩子们,一蹦一跳之间也有很小的可能性会发出一两个引力子来。当时,科学家们认为,较强的引力波来自于宇宙中最剧烈的运动:恒星之间的碰撞、超新星爆发以及黑洞的诞生等。但后来,科学家们通过详细计算,发现超新星爆发所发出的引力波并没有想象中那么大。

索恩的老师约翰·惠勒是“黑洞之父”,但索恩并未沿着导师的轨迹前进。1970年代,黑洞研究进入到黄金时代,但也同时意味着紧张、激烈与混乱的竞争。索恩并不喜欢这种感觉,他喜欢独处和自由,在美国物理学家约瑟夫·韦伯的影响下,转而开始注意到引力波。他将着眼点放在了基础理论方面,其中包括寻找宇宙间什么样的天体和事件能产生最强的引力波。

索恩明确提出,由两个质量较大的黑洞组成双星系统,在相互围绕旋转、碰撞直至合并的过程中,将辐射出最强的引力波,也最有可能被人类探测到。而此次LIGO探测到的引力波,正是由距离地球13亿光年的两个大约30个太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。

示意图:太阳和地球的周边所充斥的扭曲的时间和空间。图/激光干涉引力波天文台

这样的引力波会强到什么程度?事实上,如果你碰巧在现场的话,那你就死定了。这些波会交替挤压和拉伸附近的物体,幅度能达到物体自身的尺寸。1.8米高的一个人,会在1毫秒内被拉伸到3.6米高,然后又挤压为0.9米高,之后又会被拉伸。黑洞碰撞时,即使忽略其他在场的力,单单引力波的压力就能将周围的行星和卫星撕得粉碎,这是个十分可怕的场面。幸运的是,等到这些波长途跋涉成千万上亿光年到达地球时,它们对一个普通人造成的应变只有氢原子核的百亿分之一左右。宇宙的怒涛至此已经减弱为一个量子振动了。

由于引力波的信号太微弱了,爱因斯坦首次提出它时,很少有科学家对它感兴趣。为何要为一个小得无法探测的效应费神呢?此外,引力波是否存在这个问题,还引发了一场持续约40年的激烈争论。许多人真的很怀疑它是不是凭空捏造出来的东西——相对论方程的一种虚无缥缈的产物。这种可能性还让人恶作剧式地猜想,引力波是不是真的在“以思想的速度传播”。就连爱因斯坦自己也曾怀疑过这一点。LIGO前主任巴里·巴里希曾这样写道:“引力波是自然界中最为敏锐的一种波。这部分是它的魅力所在,也是最受诟病的地方——就因为这个,很难探测到它们。”

然而,索恩坚持寻找引力波,这是因为,由于与电磁波的物理性质不同,人类用引力波探测器来研究的物体,是不可能通过可见光、射电波与X射线发现的,而现在天文学家用光、射电波与X射线研究的物体,它们的引力波也是很难探测到的。这样,引力的宇宙与电磁的宇宙看起来也会截然不同。因此,引力波的发现,将变革人类对宇宙的认识。

畅销排行榜
monitor
在线客服

工作日:
9:00-18:00

点击这里给我发消息 常见问题