世纪发现:引力波与爱因斯坦完美拥抱

作者: 张承民

来源: 腾讯太空

发布日期: 2016-02-22 09:21:47

2016年2月10日,美国科学家宣布成功探测到引力波,这一发现被认为是世纪性的、革命性的重大科学突破,标志着人类科学研究从电磁波时代进入了引力波时代。引力波的探测可能为未来跨越星际的交流提供技术支持,帮助人类探索宇宙深处的奥秘。

2016年2月10日,美国科学家宣称,位于华盛顿州和路易斯安那州的激光干涉引力波天文台(简称LIGO)已成功探测到引力波。消息一经传出,全球科学界立即引起了轰动,这是世纪性的、革命性的、振奋人心的重大发现,可以类比百年前的人类发现电磁波。人类科学研究从电磁波时代进入引力波时代,我们将从全新的探测窗口倾听宇宙的“歌唱”。

电磁波的应用与开发产生了无线电通讯,这彻底改变了人类交流与沟通方式,进一步引发今天的信息革命时代来临。一旦未来的引力波通讯技术开发成功,可能引导人类进行跨越星际的交流,帮助人类尽早走出地球家园。

激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory -- LIGO) 是美国建设的大型引力波激光干涉仪,由加州理工学院和麻省理工学院负责运行,分别坐落在美国北部的华盛顿州和南部的路易斯安那州,南北距离约2000多公里;干涉仪臂长3公里和4公里、呈垂直布置。

一旦引力波闯入地球,引发时空震荡,造成时空距离变动,这将让干涉仪的干涉条纹变化,依此确定引力波强度。在引力波寻觅的征途上,欧洲、日本和澳大利亚也不甘落后,他们相继建设各自的探测器,苦苦等待引力波投来激动的涟漪。依据爱因斯坦理论推算,在几千光年距离远的黑洞或中子星合并事件,其引力波强度可以被LIGO测到。

爱因斯坦的广义相对论(GR)在1915年提出、于1916年发表,这是关于引力场中物质运动的规律描述,而引力场是控制宇宙万物的四个基本相互作用之一,有物质就有引力场。诸如,地球上的苹果为什么下落?为什么月球围绕地球、地球围绕太阳运动?这些就是案例万有引力现象。牛顿引力定律只是低速度描述引力场的近似,而爱因斯坦给出更加完美的方程;牛顿无法给出引力波概念,因为其方程不能提供辐射的解。

类比电磁波,有助我们概念的简化,现象生动理解引力波的含义。 GR的引力场方程可以获得如同电磁场一样的传播解,其波动传播速度是光速,依此爱因斯坦预言了引力波的存在。

引力波发生在一个巨大的天体突然加速运动,就像当恒星的超新星爆发时,或者当两个巨大的星体发生碰撞,或者两个致密星体合并,诸如中子星与黑洞这类星体碰撞与合并。由于距离遥远,引力波能量的信号非常微弱。

现在LIGO探测器检测的精度相当于,在北京观测上海的分子运动,其难度可想而知。近100年来,全球科学家一直翘首以待这一宇宙物质的波动光顾地球。然而,寻找世间微弱的奇迹,谈何容易,各种大型引力波探测器在世界各地建设,美国引力波激光干涉仪LIGO堪称之最。引力波微弱的原因可以类比电子与质子相互作用,两者的电力相当于其引力的10亿倍,所以引力波即使存在,也是难于探测。

由于引力波爆发引起时空震荡,使得物体产生微笑抖动,所以引力波触发微小时空变化。诸如,黑洞合并时,引力波激光干涉仪LIGO感受干涉臂的震动;脉冲星在引力波作用下轨道变小,脉冲星阵列的监测可以反映引力波穿过时的漂移,引力波损失动量可以导致脉冲星转动速度饱和,等等。对于上述现象的观测和监测,让我们判断引力波的存在。

1974年,美国天文学家赫尔斯和泰勒,利用阿雷西博305米口径射电望远镜,观测到双中子星系统的轨道收缩,虽然每年3厘米的轨道变化,这与爱因斯坦预言一致。由于他们间接证实引力波存在,于1993年获得诺贝尔物理学奖。

本次宣称的引力波发现,是南北距离两千多公里的两个激光干涉仪的同步探测结果,但是我对此有90%的可信度。那么,10%的质疑是什么?

其一,在美国LIGO获得引力波信号时,欧洲引力波设备VIRGO没有反应,缺少相应的佐证信息;其二,引力波信号出现时,多个卫星探测器在空间工作,也没有发现宇宙深处的Gamma射线爆发,X-射线爆发,而地面光学与射电望远镜也没有发现超新星爆发和射电爆发事件。所以,LIGO的引力波发现还没有外部佐证事件,这将被诟病为孤立的“自证”发现事件。这需要进一步等待新的引力波信号到来,再次证实其发现的可靠性。

引力波的发现将是物理学100年来最大的突破之一。到此,爱因斯坦全部预言获得验证,引力波曾经间接被发现,但是直接探测这还是首次,这为爱因斯坦理论画上完美句号。引力波的证实是GR的最后一个“拼图”,GR的其它几大验证早就被实验所证明,包括:水星近日点进动、光线在引力场偏折、引力红移、雷达回波时间延迟、黑洞、自旋进动。

电磁波动的宇宙背景在1960年代发现,引力波在时空背景波动的发现,将深化我们对宇宙的了解,进入引力波天文学时代。引力波的发现好比百年前的电磁波发现,这将是世纪重大发现事件,将深远影响人类未来。引力波通信可以与遥远的宇宙实施联络,而减少干扰;由于电磁波受到大气层等离子体干扰、太阳风干扰、以及银河系电荷干扰,所以电磁信号传输距离有限。

回想一百多年前,英国科学家法拉第和麦克斯韦提出和创立电磁理论,预言电磁波的存在。电磁波是电磁偶极子器件震荡,导致电磁场在空间以光速传播。德国科学家赫兹首先实现和证实电磁波的发射接收,其后意大利科学家马可尼发明无线电报,美国科学家莫尔斯发展了有线电报。今天,我们的手机、广播电视,全是电磁波通信,这彻底改变了人类的信息交流方式。

引力波是物质时空的振荡,传播速度与电磁波一样,但是它是物质加速运动造成的时空能量波动,而不是电磁场的波动,所以不受宇宙到处分布的电荷干扰。可以设想,高度文明的外星人已经使用引力波通信技术,进行星际通讯传播信息,可惜地球人类无法接收其信号;而我们的电磁信号即使传到其它星球,也可能信息失真,这导致我们彼此在茫茫宇宙中互相寻找,不得知己。

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