引力波:揭开宇宙奥秘的“钥匙”

2016-05-10 04:49:50


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

□ 苟利军


苟利军 国家天文台恒星级黑洞研究创新小组负责人北

京时间2016年2月11日晚上,一波又一波的引力波传言终于在美国自然基金会的新闻发布会中尘埃落定:人类首次直接探测到了引力波,这是真的!正如发布会所言,在被预言将近百年、苦苦追寻几十年之后,首个位于地球之外13亿光年的引力波源GW150914被人类直接探测到。这是一个值得纪念的伟大时刻,一个新时代的序幕正在拉开。

激动人心的发布会结束了,其重点内容可以被简单归纳为三点:(1)引力波终于被探测到了。(2)引力波产生于两个恒星量级黑洞的合并。(3)引力波是由美国的激光干涉引力波天文台(简称LIGO)发现的。

什么是引力波

对于“波”,我们并不陌生,生活中时常会听到无线电波、电磁波、声波、光波等,引力波也是波的一种。既然称之为引力波,它必然与引力有关。在更深一步了解引力波之前,我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。

17世纪末的物理学家牛顿看到下落的苹果,意识到物体之间普遍存在的一种力,他称之为“引力”,并且将其数学化,这就是我们熟知的万有引力。其精髓是物体质量的存在导致了引力,这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。直到1905年狭义相对论发表,再到1915年广义相对论发表,爱因斯坦提出了一种完全不同的看法——引力是因为质量对于时空造成了变形所导致,而非质量之间的吸引。在广义相对论中,引力被归咎于时空的弯曲。它的意思是,我们平时看到的空间貌似是平直的,但真实的情况却是像哈哈镜里一样扭曲。这种扭曲是物质造成的,质量越大,扭曲就越大。这意味着,我们时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以引力波,简单来说,就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波(或者电磁波),它仅仅是在时空之中传播的,时空是它的媒介。

如果将时空视作海洋,那么天体就如同海洋生物一般。可以想象,如果大海中的某个生物摇了摇尾巴,或是晃了晃头,海水由此产生的波动就会向外传播。与此类似,宇宙中某个天体的剧烈活动,会对所在的时空产生扰动,时空自身的波动也会向远处传播,如果足够强,就能够为地球上的我们所感知。

在引力的世界中,我们的宇宙通常是平静的。可是在北京时间2015年9月14日17点50分45秒,地球上的LIGO探测器却探测到了来自于宇宙深处距离地球13亿光年之外的一场引力风暴,它来自于一个双黑洞系统的合并(图1),天文学家以探测日期将它命名为GW150914。


图1 表现两个黑洞绕转的示意图图片来源:美国国家航空航天局

用圆规丈量宇宙

对于睡眠时不喜欢被地震打扰的我们来说,感受不到宇宙的震动是多么幸福。但物理学家可不这么想,他们急需感觉到震动,来证明自己确实读懂了宇宙。他们还希望通过对震动的研究,把宇宙读得更懂。于是,科学家发明了世界上最大和最贵的“圆规”,他们把它叫做迈克耳逊干涉仪。它的“两条腿”都有4000米长,最近的一次升级就花去了几十亿美元。

迈氏干涉仪的原理是什么? 假设我们有两个短跑运动员,他们在任何情况下跑步速度都一样,那么,如果跑道因为引力波扰动,长度发生了变化——就像蹦床表面会因受力,在一个方向上拉伸一样,他们从仪器的两条腿上跑回来的时间就会发生微小的差异。我们就知道,空间确实在震动。

引力波可为黑洞做名片

在观测到了完整的引力波形之后,利用一种叫做匹配滤波(waveform matching)的方法,理论上就可以推断出系统性的信息,包括合并之前和之后。比如,对于双黑洞系统,可以推断出合并之前的黑洞质量、自旋和轨道,以及合并之后的质量和自旋。此次新闻发布会中所提及的引力波事件,就得到黑洞质量在合并之前是26和39太阳质量,合并之后是62太阳质量,合并后的黑洞是一个克尔黑洞,其自旋参数值为0.67。

我们所看到的所有恒星,都是处于旋转当中。所以对于那些由恒星塌缩而形成的黑洞而言,它们也是处在旋转之中。对于黑洞的旋转,天文学家用一个叫做“自旋参数”的量来表示,它在0和1之间变化——0代表了没有转动的黑洞(也叫“史瓦西黑洞”),而1代表了理论上黑洞所具有的转动最大值(也叫“极端克尔黑洞”)。对于此次观测中合并以后的黑洞,它的自旋参数为0.67。如果我们以转速来描述,它在以每秒钟100转的速率转动。

如果你觉得转速依旧很难理解,那我们可以想象一下《星际穿越》电影中的一个情节:主人公在卡刚都亚黑洞的行星上只呆了3个小时,但是后来却发现飞船上已经过了23年,时间相差6万倍。要有这样巨大的时间差,其中条件就是行星极度靠近黑洞的同时,黑洞也在以最大速度转动。按照相对论理论所言,这样行星上的时间就会被极大的拉长。天鹅座黑洞的转速就具有类似于电影中卡刚都亚黑洞那样的转速。对于此次引力波探测到黑洞而言,即使有某个行星在其周围最靠近的稳定存在,那么它的时间也会流逝得很慢,不过不会有6万倍那么大的差别,最多也就2倍左右。

对于黑洞而言,有着非常著名的“无毛定理”,也就是说黑洞只需要简单的几个量就可以描述。对于宇宙当中的黑洞,只需要我们上面所说的质量和自旋参数就可以完整地描述。当我们知道了黑洞的质量和自旋参数一些性质时,就可以很容易地对黑洞本身的全貌做出一个描绘,就如同给出了一个人的完整自画像。而引力波的方法可以快速给出黑洞的完整信息,这相比较传统的观测方式,更为有效,尽管在观测方面有些困难。

引力波能带来什么

对于大众来说,或许会怀疑花费这么多经费去探索引力波有何意义。但对疯狂的物理学家来说,他们会觉得,这不但非常物有所值,而且就像免费的一样便宜。

1. 引力波可一窥宇宙初生。对物理学家来说,这轻轻的一震,比《星球大战》乃至人类史上所有的电影加起来都好看,因为它蕴含的剧情,是宇宙诞生的画面。我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着,在时空开始之时,有过一次最剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动——它是否存在,有多大规模,诸如此类。

引力波以光速传播,它与物质的相互作用非常非常的弱。所以引力波可以给我们提供我们宇宙几乎无阻挡的图景,而这个几乎是无法利用之前我们熟知的电磁波来达到的。比如,利用引力波,我们可以看到宇宙的最早期——宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒(科学计数法)开始的宇宙形成过程;而对于电磁波而言,它最早只能看到大爆炸后大约300000年之后的宇宙历史。所以引力波是我们了解宇宙形成的最好工具。

2 .引力波是对广义相对论的一个最直接的验证。如果引力波不被发现,爱因斯坦的理论就如同缺了一条腿的凳子,是有漏洞的。关于引力波的强度,爱因斯坦曾计算——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(但黑洞至少有100种方法让你在它旁边活不下去);否则引力波只会把你的身高拉高(然后压扁)那么一丁点——大概就是一个氢原子的一百亿分之一。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。引力波强度的微弱暂且不论,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。毫无疑问,此次观测是对广义相对论的一个非常好的检验。

  3. 又多了一种测量宇宙的方法。引力波的发现类似当年发现X光一样,是一种工具。英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金表示:“引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。人类探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。”有了这个工具,我们可以利用对引力波的观察,去观察遥远的宇宙的现象;发现暗物质、时空穿梭等才是有可能实现的事情。如果没有引力波,以我们现有的技术是做不到这些科幻世界才有的事情的。

  4. 引力波还能让我们知道,看不到的宇宙空间在发生什么。据科学家说,这次的引力波就是在我们看不到的超级远的距离上,由看不到的超级大黑洞的变化引起的。如果你是《三体》迷,你就可以理解,如果在很远的星系一个文明被高阶文明炸掉了,我们能够第一时间通过引力波知道这个事情是多么重要。

5. 引力波可在不同维度传播。引力波从目前物理学家的认识来看,是唯一一种可以在不同维度进行传播的波。不同宇宙之间的碰撞,会产生引力波。说不定在不远的将来,我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。在《星际穿越》电影中的结尾之时,主人公库珀身处一个5维时空的超立方体中,为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲,人为的制造引力波效应,成功将信息传递,从而人类得以解救。

引力波探测,中国也有大动作

随着人类在2016年初宣布首次直接探测到引力波,取得科学上的重大突破,中国科学家一系列与引力波探测相关的计划也浮出水面。2016年2月16日,中国科学家公布了一项新的空间探测引力波计划——“太极”。中国科学院院士、太极计划首席科学家胡文瑞透露:太极计划的设想之一是在2030年前后发射三颗卫星组成引力波探测星组,用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测,目标是观测双黑洞并合和极大质量的天体并合时产生的引力波辐射,以及其他的宇宙引力波辐射过程。

这一计划缘何起名“太极”?胡文瑞解释道:按照中国的宇宙观,万物开始是“太极”,探测原初引力波就是研究宇宙的起源,而太极的图形与双黑洞形象很相似。如果说引力波是一场宇宙交响曲,那么美国LIGO的成果只是一个序曲,但主乐章在空间探测领域,将解答更多重大学术问题。


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