引力波:时空的舞蹈

继瑞典皇家科学院10月3日宣布,将2017年诺贝尔物理学奖授予三位美国科学家以表彰他们为发现引力波所作的贡献后,16日引力波又出大新闻,全世界70多架天文望远镜,从多个角度观察到了两颗中子星合并发出的引力波。这是一个划时代的范式革命。

作者:荣智慧 来源:南风窗 日期:2017-10-26
  2017年10月颁布的诺贝尔物理学奖,可以说是最缺少悬念的奖项:麻省理工学院的莱纳·魏斯(Rainer Weiss)、加州理工学院的巴里·巴里什(Barry Barish)和基普·索恩(Kip Thorne),三人将共享900万瑞典克朗(约合110万美元)的奖金。他们所在的美国激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了引力波的真实存在,验证了阿尔伯特·爱因斯坦一个世纪前的预测。
  2015年9月,LIGO探测到了两个遥远的黑洞碰撞时所造成的时空扭曲。该项发现于2016年2月对外公布,证实科学家能够“听到”宇宙中一些剧烈事件所发射出的时空振动。这一发现,被认为是天文领域的“范式革命”,人们对宇宙的观察,开始从“看”向“听”转变。
 
  “星际穿越”
  要明白引力波,先要知道黑洞是怎么回事。黑洞是广义相对论最为极端的理论预言,广义相对论描述了物质和能量如何让时空几何发生弯曲,就像一个胖子睡在床上,床垫就会凹下去。引力波的产生常常和黑洞有关,当物质在时空中运动时,附近的曲率就会随之改变。大质量物体运动时所产生的曲率变化,会以光速像波一样向外传播,这一传播现象就是引力波,产生引力波的典型场景就是两个黑洞合二为一。
  2017年诺贝尔物理学奖获得者之一基普·索恩,曾担任克里斯托弗·诺兰执导的电影《星际穿越》的科学顾问,影片中的黑洞被认为是“一个有史以来最精准的黑洞模型”—这个黑洞,可以说是整部电影的核心。索恩和影片的制片人琳达·奥布斯特是认识了30年的老相识,当年还是卡尔·萨根(美国著名天文学家、科普作者)给他俩安排了一场会面—讨论要不要制作一部涉及黑洞与虫洞的电影。
  《星际穿越》讲的是一个反乌托邦的“近未来”故事:粮食作物无法存活,人类面临灭绝;由于土星附近出现神秘虫洞,NASA借机将数名宇航员派遣到遥远的星系,去寻找适合居住的星球。在琳达·奥布斯特的“牵线”之下,索恩和导演诺兰开始接触,探讨影片涉及的物理学问题,如时空曲率,现实世界的“连接点”,以及引力如何弯曲光线。
  如何让遥远的宇宙空间连接现实中的地球?这个问题对于索恩来说并不陌生,他在1983年时就曾向卡尔·萨根建议,用“虫洞”解决这个连接问题。虫洞是1930年由爱因斯坦及纳森·罗森在研究引力场方程时假设的,简单地说,“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的“细管”,连接黑洞的时空隧道。
  对于《星际穿越》来说,虫洞也是必然选择。不过接下来的问题是,如何将虫洞表现在银幕上?看完剧本之后,索恩告诉诺兰,他需要一个极大的黑洞—“巨人”(Gargantua),虫洞就是连接这个黑洞与地球的管道。在影片里,“巨人”以接近光速旋转着,将宇宙的物质一点点地吸引过去,一道“吸积盘”环绕着球形大漩涡。“巨人”的构想早在索恩1994年的科普专著《黑洞与时间弯曲》中,就提了出来,而“吸积盘”这个看起来像两个蛋挞扣在一起的造型,则是因为气流碰撞结合在一起,在离心力的作用下围绕黑洞螺旋式下落,在旋转中形成一个盘状物。
  索恩最后递给诺兰的答案是一份长长的备忘录,上面写满了参考文献和方程,看起来就跟《Nature》上的论文差不多。诺兰的视觉效果团队基于这些公式写了新的渲染软件,然后将虫洞制作了出来,效果令人惊叹不已—这个虫洞就像是魔法师手里的水晶球,映射着大千宇宙的奇妙景象。
  当索恩谈到他最喜欢的天体物理学内容(比如黑洞的碰撞,时间的弯曲)时,会运用大量的类比(如比作两个龙卷风相遇,或者将光线的弯曲比作风中的稻草)。但是这些类比还是有点抽象了,直到《星际穿越》的诞生,绝大多数观众才发现虫洞、黑洞、扭曲的光线是如此壮丽瑰奇。
 
  百年追寻
  引力波的存在,早在1916年便已经由爱因斯坦预言,当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空,并产生从该源头发出的时空涟漪。这种“涟漪”将以光速穿过宇宙,携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。
  1936年,爱因斯坦写了一篇论文说引力波并不存在,当时这篇论文已经投给了《物理评论》,然而进行评议的数学家、普林斯顿大学物理学教授霍华德·P·罗伯森发现了其中一些错误,于是文章被杂志退了回来。
  爱因斯坦对自己的文章竟被拿去评议感到十分愤怒,准备把它发表到《富兰克林研究所杂志》,这个杂志马上就接受了,准备原文照发。这时候罗伯森教授找到爱因斯坦的助手,跟他说爱因斯坦那篇论文是错误的,要他去说服爱因斯坦。爱因斯坦最终被说服了,急忙给《富兰克林研究所杂志》写信要求暂缓发表论文,随后寄去了修改过的论文,论文的结论变成了“引力波是存在的”。在论文注释中,爱因斯坦感谢了罗伯森教授的指正。
  1969年,马里兰大学帕克分校的物理学家约瑟夫·韦伯发明了“韦伯棒”:一个大约2米长和1米直径的铝合金圆筒,当被引力波击中时,它就“响了” 。当然,实际的情形可要复杂得多,“韦伯棒”往往探测到的是各种噪音。
  虽然物理学家们普遍不看好引力波探测(因为引力波非常微弱),但因为韦伯几乎是当时仅有的行动者,他还是引起了人们的一些兴趣,基普·索恩也是这时候加入引力波探测的队伍的。据说在整个20世纪60年代,广义相对论会议上一句常用的问候就是:韦伯探测到引力波了吗?
  可惜的是,引力波一直未能在实验上直接被检测到。反而是对脉冲双星PSR B1913+16的研究,间接地证明了引力波的存在。美国人约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯于1974年发现了PSR B1913+16(他们也因此获得了1993年诺贝尔物理学奖)。这个双星系统公转周期的逐步减少,与能量的消失有关,而消失的能量转化成了引力波。
  1984年,加利福尼亚理工学院的物理学家基普·索恩和朗纳·德瑞福,与麻省理工学院的莱纳·魏斯在激烈竞争之后,提交了联合设计、使用“激光干涉测量技术”的探测器寻找引力波的计划。美国国家科学基金会(NSF)在1990年批准了LIGO的建设,并在1992年为实验的双探测器选择了两个地点:华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿。这两个设施于1999年完成,并于2001年开始收集数据。2010年,探测器关闭升级,这期间没有发现任何引力波的迹象。
  在2010年与2015年之间,LIGO经历了大幅度改良,升级后的探测器被称为“aLIGO”,于2015年再次开启运作。2016年2月11日,LIGO科学团队宣布,人类首次直接探测到引力波,所探测到的引力波源自双黑洞合并,两个黑洞分别估计为29及36倍太阳质量。同年6月15日,LIGO又表示,第二次直接探测到引力波。今年8月17日,LIGO第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波信号。这些探测结果,更加证实了广义相对论的正确。
 
  了不起的引力波
  LIGO的行动,正在重构人们对黑洞理解的基础。让我们想象如下的场景:大约30亿年前,地球还是一个充满原始大陆的海洋世界,唯一的居民就是单细胞生物。这时,一对黑洞开始了旋转舞蹈,并在一个非常非常遥远的地方相撞,留下一个比太阳还要重50倍的黑洞,没有光线逃逸出来。事情本来会消失在无垠的太空,但是,它们产生的引力波正以光速向外传播,并在近期光临了地球,进入最先进的引力波探测仪—LIGO之中。
  引力波经过遥远的观测者时,观测者会发现时空被弯曲了。两个自由物体之间的距离会有节奏地波动,频率与引力波相同。在这一过程中,这两个自由物体并没有受力,座标位置也没有变化;改变的,是时空座标本身的距离。根据这一特性,科学家把它作为LIGO探测的原理。
  两个LIGO探测器的形状,都像一个巨大的字母“L”,由两个2.5英里长的真空管道构成。在“L”的结合处,有激光器和光电仪,“L”的两臂上则挂满了镜子。当引力波的第一个波峰从屋顶或地板进入实验室时,潮汐力将沿“L”的一臂把两个物体分开,而沿另外一臂把两个物体拉近。第一臂的长度L1将增大,第二臂的长度L2将减小;当波谷到来时,结果正好相反。通过测量臂长差L1-L2,就能发现引力波的足迹。
  镜子的意义在于,让一束激光照在结合处的光束分离器上,让光束的一半被反射,一半透过镜面,这样这束光就被分成了两束,分别到达L两臂上的端点,再由端点的镜子反射回光束分离器。如果没有引力波,来自两臂的光都会回到激光器,如果引力波改变了L1-L2,那么就会有少量的光进入光电仪。
对于观测者和科学家来说,LIGO的测量和计算实际非常简单,掌握了一些基本物理知识的人就可以搞定。看到这里人们不免要问,把诺贝尔奖颁给“引力波”,意义到底在哪里?
这就要回到人类观测宇宙的历史了:在射电天文学和X射线天文学来临前的30年代,我们的宇宙知识几乎全部来自光。光让我们看到的是一个安宁静寂的宇宙,充满了耀眼的恒星和在轨道上平稳运行的行星。它们默默地发着光,过数百万或者数十亿年才会发现它们的变化。
  上世纪50-70年代的射电波和X射线的观测,打破了这种平静的宇宙观,让我们看到了一个剧烈活动的宇宙:从星系核喷射出气流,类星体闪耀着比银河系还亮的光,脉冲星射出以光速旋转的强烈辐射束……光学望远镜看到的是太阳、行星和少数邻近的宁静恒星,射电望远镜看到的最亮天体是遥远星系中心的猛烈爆炸。
  这就有点像一位公安侦察人员,如果架起一台高倍望远镜,那么看到的是嫌犯的表情、动作;如果在犯罪嫌疑人家里装上窃听器,听到的就是嫌犯的声音、对话。与射电波和X射线相比,引力波将给我们的宇宙认识带来更大的革命。
  产生引力波最强烈的场景,往往是时空曲率的大尺度相干振荡(比如两个黑洞的碰撞和结合)以及大量物质大规模的相干运动(比如相互围绕的两个中子星的螺旋式碰撞和结合),所以引力波向我们展现的都是宏观上的大曲率、大质量的运动。而且,像宇宙的大爆炸起源、黑洞的碰撞、超新星爆发中心产生新生中子星、并发出大量脉冲的这些场域,周围都笼罩着厚厚的、能吸收电磁波的物质层,但又由于这一类事件往往具有强引力的特征,使得引力波的探测成为可能。
  因此,引力波带来的,是一个“听觉”上的宇宙,那里有大爆炸、大振荡和大冲撞,这是以往的探测手段所发现不了的。引力波必将改变我们对宇宙的看法。理论物理学家、亚利桑那州立大学的劳伦斯·克劳斯,将LIGO的探测与望远镜的发明相比较。“这肯定会获得诺贝尔奖,”他在今年9月就信心十足地预测,“更重要的是,它们为我们看待宇宙打开了一扇新窗。”
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