2月27日下午,由未來(lái)論壇、清華大學(xué)“新世界·新視野”公眾講座系列、清華大學(xué)時(shí)代論壇聯(lián)合主辦的“解密引力波——時(shí)空震顫的漣漪”講座在清華大學(xué)大禮堂舉行。加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士、LIGO科學(xué)合作組織核心成員及引力波論文作者之一陳雁北、清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、清華大學(xué)天體物理中心兼職研究員、LIGO科學(xué)合作組織成員及引力波論文作者之一曹軍威為我們帶來(lái)目前最為權(quán)威的引力波講座。 以下是陳雁北教授的演講原文: 引力波的緣起 講到引力波,開(kāi)始要談到的是時(shí)空這一概念。1905年,愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了狹義相對(duì)論,其基礎(chǔ)在于電磁場(chǎng)理論。在這之前,大家發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)理論是適于所有慣性參照系的。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái),我有一個(gè)手電,它發(fā)出的光以30萬(wàn)公里/秒的速度傳播。這個(gè)時(shí)候,如果我有一輛汽車(chē),它開(kāi)得特別快,開(kāi)到20萬(wàn)公里/秒。汽車(chē)看到的光的速度是多少?不是10萬(wàn)公里/秒,也是30萬(wàn)公里/秒。這是非常奇怪的現(xiàn)象,跟過(guò)去對(duì)速度的理解是完全矛盾的。 愛(ài)因斯坦想到的解法是:在研究物理的時(shí)候,要把時(shí)間和空間放在一起考慮,比如空間的坐標(biāo)上畫(huà)了30萬(wàn)公里、60萬(wàn)公里的格子,時(shí)間上畫(huà)了1秒、2秒的格子,光線就沿著30萬(wàn)公里/秒的速度傳播。從坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)的光線在時(shí)空中掃出光錐,在光錐內(nèi)部就是從坐標(biāo)原點(diǎn)到達(dá)的所有范圍,就是坐標(biāo)原點(diǎn)未來(lái)的區(qū)域。不管以什么樣的速度看,只要在光錐內(nèi)部的世界,永遠(yuǎn)都是坐標(biāo)原點(diǎn)的未來(lái)。 在光錐外面的世界是不一樣的,比如在60萬(wàn)公里以外,距離現(xiàn)在1秒的事件,這個(gè)世界在現(xiàn)在的坐標(biāo)系看來(lái)是在坐標(biāo)原點(diǎn)的未來(lái)。但是,如果我有速度非??斓钠?chē),在汽車(chē)看來(lái),這個(gè)事情發(fā)生在現(xiàn)在的坐標(biāo)原點(diǎn)以前,這就是同時(shí)性的相對(duì)性。時(shí)空的概念可以用來(lái)解釋構(gòu)造一個(gè)自洽的電磁波理論。 但是,牛頓的萬(wàn)有引力是瞬時(shí)傳播的,它跟狹義相對(duì)論是矛盾的。愛(ài)因斯坦在1905年以后開(kāi)始思考怎么才能把狹義相對(duì)論和引力統(tǒng)一在一起。 他的方法是從伽利略的等效原理開(kāi)始考慮。引力是非常特殊的相互作用,不同的物體在引力場(chǎng)中下落的加速度是一樣的。比如,這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于電磁理論是完全不適用的:不同的帶電粒子在磁場(chǎng)中的加速度完全不同。愛(ài)因斯坦看到了這一點(diǎn),他決定引力是可以由彎曲的時(shí)空幾何來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體的說(shuō),愛(ài)因斯坦理論中的引力是這樣的:如果有一個(gè)有質(zhì)量的物體,把它放在時(shí)空中,它就會(huì)讓時(shí)空彎曲。 上面的這個(gè)網(wǎng)格就代表了一個(gè)彎曲的曲面。上面看起來(lái)是彎曲的線,如果在曲面上局部看,反而是最直的一條線。這樣最直的線叫做測(cè)地線。如果讓各種不同材質(zhì)的物體都按測(cè)底線運(yùn)動(dòng),就可以解釋這些物體在引力作用下的曲線運(yùn)動(dòng),并且可以解釋等效原理。 愛(ài)因斯坦提出了愛(ài)因斯坦方程來(lái)描述這個(gè)現(xiàn)象,左邊(上圖公式)代表時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu),右邊(上圖公式)代表時(shí)空中的能量和動(dòng)量的分布。 1916年,數(shù)學(xué)家馬上發(fā)現(xiàn)了廣義相對(duì)論的第一個(gè)解。后來(lái)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)解是一個(gè)黑洞。在數(shù)學(xué)上,黑洞是一個(gè)很簡(jiǎn)單的東西,它把時(shí)空分成兩部分,黑洞所謂的視界是只能進(jìn)入沒(méi)辦法逃出的曲面,是一個(gè)球。在外面只可以進(jìn)入視界之內(nèi),從視界之內(nèi)逃不出視界。 把光錐的概念用到黑洞的時(shí)空上,我們能看到的現(xiàn)象就是視界把時(shí)空分成兩部分—黑洞的內(nèi)部和黑洞的外部。在黑洞的內(nèi)部,光錐的所有部分都是朝著黑洞中心走。在黑洞內(nèi)部,你的未來(lái)完全在黑洞里面,不可能到達(dá)黑洞的外面。你在視界上,你的未來(lái)的邊界在世界上,你還是不能逃出這個(gè)視界。在視界外面,當(dāng)你距離黑洞越來(lái)越遠(yuǎn)的時(shí)候,你的未來(lái)區(qū)域里面就有更多的部分可以逃到無(wú)窮遠(yuǎn)處。從另外一個(gè)角度看,所謂的視界,就是黑洞外面能被遠(yuǎn)處觀察者看到的時(shí)空區(qū)域的邊界。 黑洞還有另外一個(gè)性質(zhì)就是“時(shí)間停止”。當(dāng)?shù)厍蛏系穆眯姓邚牡厍虺霭l(fā)到達(dá)黑洞附近,如果他到達(dá)的是黑洞附近非常非常近的距離,他再回到地球的時(shí)候就會(huì)發(fā)現(xiàn)地球人的時(shí)鐘已經(jīng)過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間,而他自己的時(shí)鐘只過(guò)了很短的時(shí)間,這是時(shí)間變慢的過(guò)程,在黑洞視界上的時(shí)間是完全停止的。 用另外一個(gè)角度,物理學(xué)家會(huì)用嵌入圖的方法表示黑洞。這個(gè)曲面可以類(lèi)比成剛剛看到的網(wǎng)格曲面,只不過(guò)這是黑洞外面空間的彎曲的表示。離黑洞越近,這個(gè)空間越彎。在這個(gè)圖上不同的顏色標(biāo)志著時(shí)間流動(dòng)的速度。在外面,時(shí)間流動(dòng)是正常的。在黑洞的視界附近,時(shí)間流動(dòng)是停止的。這個(gè)圖表示了黑洞附近的時(shí)空的彎曲,是非常極端的彎曲。因?yàn)闀r(shí)間在這里是停止的,而且視界是只能進(jìn)不能出。 科幻作品中的黑洞讓大家產(chǎn)生很多的想象。這個(gè)圖是把黑洞放在星空的背景上,所有的星星發(fā)射的光線被黑洞彎折以后,我們看到非常奇怪的景象。 這些畢竟是數(shù)學(xué)上的計(jì)算,黑洞真的是存在的嗎? 天文學(xué)家已經(jīng)在銀河系的不同部分,甚至在其他星系發(fā)現(xiàn)了黑洞。 在6000光年外的天鵝座X-1的物體,根據(jù)天文學(xué)家的觀測(cè),認(rèn)為是一個(gè)含有黑洞的系統(tǒng)。他們認(rèn)為這是一個(gè)雙星的系統(tǒng),在這個(gè)系統(tǒng)中有一個(gè)非常大的藍(lán)巨星,巨星上的氣體在黑洞引力的作用下,逐漸沿著所謂吸積盤(pán)的盤(pán)狀結(jié)構(gòu)落到黑洞里面。在這個(gè)過(guò)程中,因?yàn)楹诙吹囊軓?qiáng),這些氣體的速度是非常快,氣體互相摩擦, 吸積盤(pán)被加熱到10億度以上,它發(fā)出的X射線的性質(zhì)讓天文學(xué)家推論出這個(gè)黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的9倍。天文學(xué)上,這叫做恒星質(zhì)量黑洞 。 在天文學(xué)中有另外一種完全不一樣的黑洞。天文學(xué)家通過(guò)推算在星系中間運(yùn)動(dòng)的星體的軌跡,在銀河系中心也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黑洞。1995年-2008年期間,根據(jù)在銀河系中心周?chē)\(yùn)動(dòng)的星體的軌道,可以推算出中間有一個(gè)400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。 天文學(xué)家發(fā)現(xiàn),在很多星系的中心都有這樣所謂的超大質(zhì)量的黑洞。 黑洞是廣義相對(duì)論的重要推論,天文學(xué)家用種種方法判定了有些很可能是黑洞的物體。 廣義相對(duì)論的另一個(gè)推論—引力波 1916年,愛(ài)因斯坦在他的方程中發(fā)現(xiàn)了所謂的弱引力場(chǎng)下的解,這個(gè)解便描述了引力波。從類(lèi)比的方法來(lái)看,引力波很相似于水面上的波動(dòng)。當(dāng)水面震蕩的時(shí)候,它的震蕩會(huì)以水波的形式傳播出去 。類(lèi)似的, 時(shí)空幾何的振蕩也會(huì)由引力波的形式傳播。不同的是,在愛(ài)因斯坦方程中,引力波是按照光速傳播的。 引力波對(duì)物質(zhì)的作用是怎樣的?可以類(lèi)比水波的圖象。水波有一個(gè)波長(zhǎng),考慮在半個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的浮在水面上的船。這些船隨著水波上下運(yùn)動(dòng),距離比較近的船,他們由水波導(dǎo)致的高度差就比較小,而距離比較遠(yuǎn)的船, 由水波引起的高度差就比較大。 引力波也是很類(lèi)似的現(xiàn)象,當(dāng)兩個(gè)自由下落的物體,當(dāng)引力波入射的時(shí)候, 這兩個(gè)物體之間的距離會(huì)產(chǎn)生變化。產(chǎn)生距離變化的比例是引力波的振幅h。也就是說(shuō),距離為 L的兩個(gè)物體,在引力波入射時(shí),他們的距離變化大約是Lh。只要在波長(zhǎng)以內(nèi),他們的距離越遠(yuǎn),引力波導(dǎo)致的距離變化就越來(lái)越大。 更詳細(xì)的說(shuō):引力波是一個(gè)橫波,它影響的是跟引力波傳播方向垂直平面之內(nèi)的距離。沿著引力波方向的距離是沒(méi)有變化的。 垂直于引力波傳播方向的平面上的物體,它們之間的距離會(huì)按一定規(guī)律變化。物理上說(shuō)引力波有兩個(gè)偏振,也就是兩種不同的模式。這些物體本來(lái)是一個(gè)圓環(huán)上,當(dāng)引力波入射到達(dá)垂直屏幕的時(shí)候,這些圓環(huán)上的物體在一種偏振下是按照這種模式振蕩。在另外一種模式,是側(cè)的45度的模式。 引力波的數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)以后,大家就考慮,引力波的物理效果是否可以被觀測(cè)到?通過(guò)愛(ài)因斯坦的計(jì)算,他認(rèn)為引力波是非常難產(chǎn)生的現(xiàn)象。產(chǎn)生足夠大的引力波需要非常大質(zhì)量的或者是非常高能量的物體以非??斓乃俣冗\(yùn)動(dòng)。 舉例來(lái)講,人類(lèi)能制造的最大的能量加速度可能就是氫彈的爆炸。這是歷史上最大的一顆氫彈的爆炸。把它的能量全部轉(zhuǎn)化成動(dòng)能,這個(gè)動(dòng)能用來(lái)輻射引力波??梢园l(fā)現(xiàn)在爆炸附近1米處的物體的引力波的振幅是10^-27,是非常微小的現(xiàn)象。連氫彈爆炸都不能產(chǎn)生足夠大的引力波,這就說(shuō)明引力波是很難在地面上產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。如果這兩個(gè)人的距離是1米,他們兩個(gè)人的距離變化是10^-27米。 但是,這也沒(méi)有阻礙美國(guó)科學(xué)家韋伯在上世紀(jì)60年代進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。他的目標(biāo)并不是地面上產(chǎn)生的引力波,而是天體物理中的物體產(chǎn)生的引力波。他用所謂的共振法,用一個(gè)鋁棒,它本身有一個(gè)共振頻率。如果引力波是以共振頻率入射,共振頻率的引力波就會(huì)導(dǎo)致鋁棒的振蕩。他想通過(guò)檢測(cè)裝置探測(cè)到鋁棒的振蕩。 在韋伯的實(shí)驗(yàn)中,號(hào)稱探測(cè)到了很多引力波的信號(hào)。但是,他的實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)問(wèn)題:一是沒(méi)有辦法重復(fù),二是他探索到的信號(hào)也沒(méi)有天體物理的適當(dāng)原因可以解釋。所以大家普遍認(rèn)為他的引力波探測(cè)是沒(méi)有成功的。然而,他開(kāi)創(chuàng)了引力波探測(cè)領(lǐng)域。 在70年代,有人發(fā)明了另外一種測(cè)量引力波的方法,用激光干涉的方法來(lái)測(cè)量。激光打到一個(gè)分束鏡,分成兩束,沿著很長(zhǎng)的距離傳播以后,在鏡子上分別反射,打回到分束鏡上。如果兩束的臂長(zhǎng)一樣,這兩束打回來(lái)的光會(huì)在分束鏡上合成一束從入射口回去,另外一口是沒(méi)有光的。但是,如果有引力波,鏡子的位置改變,導(dǎo)致的位移就會(huì)導(dǎo)致兩束返回的光在分束鏡上的相位有所變化,導(dǎo)致在沒(méi)有光的口會(huì)產(chǎn)生信號(hào)光。把信號(hào)光檢測(cè)出來(lái)以后,就可以探測(cè)出引力波。這種方法的好處是可以使臂長(zhǎng)變得很長(zhǎng),越長(zhǎng)就越可以放大引力波導(dǎo)致的鏡子的運(yùn)動(dòng)。光學(xué)方法本來(lái)就是有益于精密測(cè)量的方法。 90年代,美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助了世界上第一個(gè)大規(guī)模的引力波探測(cè)項(xiàng)目,所謂的LIGO。LIGO有兩個(gè)非常大的探測(cè)器,一個(gè)是Livingston,一個(gè)在Hanford。 干涉的靈敏度,對(duì)鏡子位置的測(cè)量達(dá)到10^-18米。怎么形容呢?如果考慮頭發(fā)絲的細(xì)度是10^-6米,降低1萬(wàn)倍就變成氫原子是10^-10米,再減少10萬(wàn)倍,就是氫原子核,是10^-15米。最后得出的結(jié)論,這個(gè)長(zhǎng)度是氫原子核大小的1/1000,是非常靈敏的儀器。 既然可以測(cè)到這樣靈敏的位移變化,要保證沒(méi)有其他因素可以導(dǎo)致比這個(gè)大的干擾信號(hào)。一個(gè)必要條件是將光干涉系統(tǒng)放在非常高的真空里,防止氣體分子對(duì)激光傳播的影響導(dǎo)致虛假的信號(hào)。另外就是要把反射光的鏡子懸掛起來(lái),把鏡子和地面的振動(dòng)完全隔離開(kāi)。這樣就可以形成靈敏度非常高的引力波探測(cè)裝置。 利用這個(gè)裝置,在2015年9月14號(hào),我們用這兩個(gè)探測(cè)器分別發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)時(shí)間為0.2秒的引力波事件。這個(gè)圖是將兩個(gè)信號(hào)以0.7毫秒的時(shí)延錯(cuò)位以后,發(fā)現(xiàn)他們的波形也在很大程度上吻合。 從波形中分析出這個(gè)事件是由兩個(gè)黑洞碰撞而導(dǎo)致的。它們兩個(gè)的質(zhì)量是36倍和29倍的太陽(yáng)質(zhì)量,最后形成的黑洞是62倍的太陽(yáng)質(zhì)量。通過(guò)波振幅的大小可以推算出這個(gè)事件離地球的距離是13億光年。通過(guò)這個(gè)波形,也對(duì)廣義相對(duì)論的推論進(jìn)行了初步檢驗(yàn)。 這次觀測(cè)的數(shù)據(jù)是從去年9月份到今年1月份觀測(cè)數(shù)據(jù)的一部分,還有很大一部分是需要處理的,期待著有更多的雙黑洞碰撞事件。 在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上,單位宇宙體積中,單位時(shí)間碰撞事件發(fā)生的概率是一定的。把儀器的靈敏度提高,可以看到宇宙中更遠(yuǎn)位置上的雙黑洞,看到更大的體積中的所有的雙黑洞的碰撞。只要把靈敏度提高2倍,就可以把觀測(cè)體積提高到8倍。這樣雙黑洞事件出現(xiàn)的概率就會(huì)提高8倍。 以這次事件為基準(zhǔn),假定3個(gè)月可以出現(xiàn)1次雙黑洞事件。當(dāng)儀器達(dá)到設(shè)計(jì)靈敏度的時(shí)候,靈敏度是現(xiàn)在的2.5倍左右,10天就可以看到1次雙黑洞。 科學(xué)家們也著手設(shè)計(jì)下一步的探測(cè)器,它有可能比第二代探測(cè)器的靈敏度強(qiáng)3-10倍。這種情況下,可以觀測(cè)到很多雙黑洞的碰撞事件。這樣就可以更精確地測(cè)量雙黑洞的信號(hào),更精確地研究宇宙中黑洞的分布,是對(duì)物理和天文學(xué)研究的新方法。 除了LIGO以外,世界上還有其他的探測(cè)器,這對(duì)于協(xié)同觀測(cè)是很重要的。GEO是600米的探測(cè)器,VIRGO在一兩年以后將達(dá)到跟LIGO一樣的探測(cè)器。日本的KAGRA也是3公里的探測(cè)器,也會(huì)在三四年之內(nèi)達(dá)到一定的靈敏度,可以形成世界的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。 最近印度政府也批準(zhǔn)了LIGO印度項(xiàng)目。在不遠(yuǎn)的將來(lái),印度也將會(huì)有一個(gè)地面的引力波探測(cè)器。全球的網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行定位,而且會(huì)提高雙黑洞觀測(cè)的準(zhǔn)確度和清晰度。 除了雙黑洞的碰撞過(guò)程,地面引力波探測(cè)還可以探測(cè)各種各樣的天文事件,比如雙中子星的碰撞過(guò)程。中子星也是很致密的星體,在很大質(zhì)量的恒星燃燒盡以后形成的黑洞。比較大的星體演化的末態(tài)就是中子星。在LIGO看到雙中子星碰撞的過(guò)程,這對(duì)我們理解中子星的結(jié)構(gòu)探索伽馬射線暴的根源是有指導(dǎo)性的。另外,旋轉(zhuǎn)的單個(gè)中子星,如果它不完全是球形的話,也是會(huì)發(fā)出引力波的。 在LIGO還可以探索宇宙弦系統(tǒng),是早期宇宙中有可能形成的拓?fù)淙毕荩?能量分布呈不均勻的脈動(dòng)的弦狀結(jié)構(gòu)。最后也可能對(duì)宇宙大爆炸開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生的原初引力波背景進(jìn)行探索。 除了地面引力波探測(cè),未來(lái)還會(huì)進(jìn)行多波段引力波天文學(xué)的研究,比如歐洲的愛(ài)因斯坦探測(cè)器是第三代的引力波探測(cè)器,可以在可以覆蓋1赫茲-10千赫茲??臻g引力波探測(cè)可以探測(cè)到0.1毫茲-1赫茲之間的引力波,可以觀測(cè)到星系中心超大質(zhì)量黑洞碰撞的過(guò)程。這對(duì)于星系的形成演化是非常重要空間探測(cè)引力波是研究宇宙的另外一個(gè)重要方式。還有一種是用脈沖星定時(shí)的方式。脈沖星是一些中子星會(huì)發(fā)射出非常穩(wěn)定的電磁信號(hào),如果到達(dá)地球的時(shí)候有微小的偏差有可能是因?yàn)橐Σ▽?dǎo)致的,它也可以探測(cè)超大質(zhì)量黑洞并合的過(guò)程。最后就是在微波背景上測(cè)量宇宙大爆炸時(shí)的引力波背景形成的遺跡。 今天的引力波探測(cè)只是一個(gè)起點(diǎn)。在未來(lái),我們會(huì)有多波段的引力波探測(cè),說(shuō)明今天的引力波探測(cè)不但是廣義相對(duì)論和黑洞的直接驗(yàn)證,也可以說(shuō)是新的天文學(xué)觀測(cè)手段。 如果回顧一下這次事件,是兩個(gè)距離地球13億光年的黑洞傳播到了地球,信號(hào)是10^-18米,信號(hào)長(zhǎng)度只有0.2秒。我自己是研究引力波方向的,看到這個(gè)引力波信號(hào)時(shí)也是感覺(jué)到非常不可思議的。 作者簡(jiǎn)介 陳雁北加州理工學(xué)院物理學(xué)教授,美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士。1999年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系。2003年在Kip Thorne指導(dǎo)下從加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。2004年到2008年在德國(guó)馬普引力物理研究所(愛(ài)因斯坦研究所)擔(dān)任科學(xué)工作者,獲德國(guó)洪堡基金會(huì)頒發(fā)的Sofja Kovalevskaya獎(jiǎng)資助,組建并領(lǐng)導(dǎo)青年科研團(tuán)隊(duì)。2007年回加州理工學(xué)院任助理教授,2013年升任正教授。 未來(lái)論壇:由中國(guó)時(shí)下深具影響力的一批互聯(lián)網(wǎng)先行者、投資界成功者、科技業(yè)前沿者發(fā)起,并于2015年1月20日正式創(chuàng)立。未來(lái)論壇將網(wǎng)羅全球最新技術(shù)和有洞見(jiàn)的人, 進(jìn)行跨界、跨地域、跨年齡的交流與互動(dòng)。它提供了一個(gè)入口,一個(gè)平臺(tái),讓人們?cè)诨A(chǔ)邏輯的普適認(rèn)知下,去獲得方向感,去感知影響力,去踏進(jìn)一片凈土,去得到思想的孵化。 “理解未來(lái)”系列講座,由未來(lái)論壇傾力打造,是面向社會(huì)大眾開(kāi)放的高質(zhì)量月度科普講座?!袄斫馕磥?lái)”系列講座邀請(qǐng)富有洞察力、創(chuàng)新性和前瞻性的知名科學(xué)家和創(chuàng)業(yè)者與大眾分享交流對(duì)未來(lái)的認(rèn)知,促進(jìn)社會(huì)大眾對(duì)未來(lái)的理解與思考。
|
|