爱因斯坦提出的引力波预言,今天终于被证实!

2016年2月12日09:34:22 评论 247

什么是引力波?

一百年前,爱因斯坦提出广义相对论的完整理论,把一维时间与三维空间看成是一个整体,成为一个四维的几何体。这一几何体被称为四维时空或四维流形。然而,如果把这个四维时空做一个依赖于观察者的3+1分解,就可以得到空间与时间。

爱因斯坦发现,三维空间本身是有弹性的,它会随着一维时间振动。这一振动将在整个空间激发出一种波动,类似于水面上的涟漪——爱因斯坦称这种空间的涟漪为引力波。

引力波是爱因斯坦广义相对论最重要的预言之一,而于2001年首次投入运行,2015年升级重启的激光干涉引力波天文台(LIGO)就是专门为探测引力波而建设的。从去年9月开始,关于它已经观测到引力波的传言不断,而就在前几天,又有物理学家在网上流出小道消息,终于引爆了大量媒体的报道。

什么是LIGO?

LIGO:激光干涉引力波天文台

目前比较著名的要数激光干涉引力波天文台,1999年建成的时候,造价接近4亿美元,在美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州的哈福德之间有两个探测器,呈现L型排列,利用迈克耳逊干涉仪原理进行测量引力波。L型测量臂很长,达到4公里,两个测量臂垂直排列,两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射,如果干涉条纹发生了变化,就说明探测到了引力波事件。2005年之后,激光干涉引力波天文台再次进行了升级,使用更高功率的激光器和避震措施,降低误差。

爱因斯坦提出的引力波预言,今天终于被证实!

LIGO激光干涉引力波天文台

在意大利的比萨附近也有类似的装置,一个双臂探测器长度达到3公里,是欧洲测量引力波的关键设备。德国汉诺威也有引力波测量装置,两个测量臂长度为600米。欧洲前不久还发射了LISA探路者航天器,定点在拉格朗日点L1上,距离地球大约150万公里。德国达姆施塔特是LISA探路者航天器的控制中心,探测器主要任务目的就是寻找宇宙中的引力波,内部带有2公斤的金铂合金立方体,数量为两个,为垂直放置,如果两个立方体位置发生变化,就证明探测到了引力波的存在。不过这个任务仅仅是欧洲空间局引力波空间探测计划的一部分,侧重于演示和验证。

爱因斯坦提出的引力波预言,今天终于被证实!德国达姆施塔特是LISA探路者航天器的控制中心,探测器主要任务目的就是寻找宇宙中的引力波

发现引力波意味着什么?

引力波的发现意义重大,从科学意义上看,引力波可以直接与宇宙大爆炸连接。广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中,这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波,就可以揭开宇宙的各种谜团,甚至了解宇宙的开端和运行机制。因此也有这样的说法,如果引力波的发现被确定,那么几乎可以肯定会入选诺贝尔奖。1993年的诺贝尔奖就是授予了间接发现引力波存在的科学家,当时两位科学家泰勒和赫尔斯对脉冲星双星系统PSR1913+16进行研究,发现其系统内有两颗中子星,它们快速围绕对方公转,最终发现了引力波间接证据。

爱因斯坦提出的引力波预言,今天终于被证实!

一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波,就可以揭开宇宙的各种谜团,甚至了解宇宙的开端和运行机制

2014年3月,BICEP2望远镜科学家称发现了宇宙大爆炸时期产生的原初引力波,这个发现瞬间轰动了世界,科学家在宇宙微波背景辐射中探测到B模偏振,认为这是原初引力波的证据。这个发现不仅意味着我们探测到引力波,而且还发现大爆炸时期的引力波,更令人惊讶的是根据这个理论我们甚至可以推出平行宇宙的存在。不过,很快BICEP2望远镜的发现成果被否定,科学家验证后发现是银河系的尘埃对观测形成干扰,这个发现是错误。

Nature网站为大家梳理了这些传闻中的事实和谣言,并预测何时会有官方宣布发现引力波。

传言讲了些什么?

根据爱因斯坦的广义相对论,超大规模的天文事件,如两个黑洞或中子星的合并,会在时空中产生波纹,即引力波。

传言最初出现在九月,美国亚利桑那州立大学的宇宙学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)发了一条推特称LIGO已经观测到引力波,而最近出现的最具重量级的传言来自理论物理学家卢博什·莫特尔(Lubo? Motl)写的一篇博客,他称,花费了2亿美元升级的新LIGO自去年9月开始收集数据以后,其两个探测器都已发现了两个正在合并的黑洞产生的引力波。

普林斯顿大学研究广义相对论模拟的专家弗兰斯·比勒陀利乌斯(Frans Pretorius)说:“如果消息是真的,这将是我们人类以最直接的方式观测黑洞。”

那直接参与LIGO实验的物理学家怎么说?

他们口风很紧。“我们还在收集数据,对早期数据的分析也没有完成。”路易斯安那州立大学的物理学家,同时也是LIGO发言人的加布里埃拉·冈萨雷斯(Gabriela González)说。

冈萨雷斯说,第一期数据采集于1月12日结束,但对这4个月探测数据的分析结果最早也要到二月才能公布。这期实验结束后,LIGO马上又会关闭,进入又一次为期9个月的升级,以进一步提高灵敏度。再次升级重启之后,它将与欧洲的同类探测器“先进Virgo”(Advanced Virgo)联合观测。

LIGO有可能已经观测到引力波了吗?

这是有可能的。LIGO的干涉仪有4千米长的真空管,在真空管中安放了反射镜来反射激光。引力波经过时,会拉伸和压缩空间,使真空管的长度发生微乎其微的改变,这种变化可根据激光干涉条纹探测出来。

爱因斯坦提出的引力波预言,今天终于被证实!

广义相对论预测两个距离很近的大质量天体在互相绕转时距离会越来越近,一开始速度很慢,然后越来越快,直到最后合并在一起,同时会扭曲周围的时空,并把扰动往四面八方传递。

以LIGO探测器目前的灵敏度,只能观测到10赫兹以上的引力波,所以如果他们观测到了引力波信号,这信号必定来自于黑洞互相绕转频率超过每秒10次的时候,即合并前的最后阶段。模拟显示,如果把这种情况产生的引力波以声波形式播放出来,听起来会像鸟鸣声。

“如果广义相对论是正确的,那么信号就应该与这一模一样。”比勒陀利乌斯说。他在2005年首次完成了黑洞合并的全计算机模拟,详细预测了该现象产生的引力波的大小和波形。

所谓“信号”,会不会只是来源于一个误差?

这也是可能的。LIGO探测器花了很大力气来减少无关的振动产生的误差,但他们的团队仍需谨慎分析,以防所谓的“信号”只是场空欢喜。哪怕是附近路过的一辆卡车,也可能会成为误差来源。

不仅如此,实验初期所观测到的“信号”,说不定还有可能是来自高层的“阴谋”。LIGO团队中的三名成员有秘密操纵反射镜的权限,他们可以人为制造出“天体现象”的特征,直到其余成员准备宣布“新发现”之前才会公布这到底是不是他们制造的假信号,这一过程称为“盲注入”(blind injection),可以检验装置是否正常有效地运行。LIGO在此前2007-2010年的运行阶段就经历过两次这样的演习。

但去年9月份发推的物理学家克劳斯说,他听到的消息称,LIGO在正式运行前的试运行阶段就看到了信号,那时候正式的数据收集尚未开始,所以也没有盲注入过程。(但Nature向克劳斯询问时,他表示自己也不知道更多的详情了。)

但LIGO的研究者并不会马上开始分析这么早期的数据。LIGO数据分析组组长,佐治亚理工学院的物理学家劳拉·卡多纳蒂(Laura Cadonati)说,他们需要先对数据产生足够的了解,知道各种类型的虚假信号出现的频率之后,才能开始着手分析如此早期的信号。

是否有这样一段时期,在不会有盲注入的情况下,两个探测器同时出于工作状态? LIGO合作组拒绝回答。

LIGO的物理学家们对这些流言怎么看?

冈萨雷斯对此有些恼火。她说:“我担心这会给广大民众和媒体带来过高的期望。”

但卡多纳蒂说,她觉得这些流言蜚语反倒能成为一针强心剂。“消息走漏发生得如此之早,说明这就是我们必须学会适应的情况。它意味着我们正在进行的研究吸引了很多人的关注。”

如果真的探测到了引力波,这将是里程碑式的事件。LIGO合作组的一员,西澳大利亚大学的物理学家戴维·布莱尔(David Blair)说:“这意味着什么呢?这就好比我们人类之前都是聋的,现在却忽然能够听到来自宇宙的声音。”

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