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《柔軟的宇宙 第20章 時空漣漪 》




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科技 科普

更新時間:2017年8月16日

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        2016年春節期間,一個話題引爆了社交網絡和各大新聞媒體,上至家學者,下至科學愛好者,甚至平常與科學井水不犯河水的文藝界人士也都開始紛紛轉載消息:引力波被人類發現了。一時間引力波話題成了街頭巷尾的大熱門,可是很多人不知道,愛因斯坦做出這個預言,其間經歷了怎樣的劇情大反轉。

        說起這事還要從愛因斯坦落腳到了普林斯頓講起。此時的愛因斯坦已經是年過半百的人了,需要找一位助手來幫忙,他選中了一個小伙子叫羅森。愛因斯坦跟羅森合作,搞出了三篇論文,每一篇都很重要。老愛早已經過了科研的巔峰時期,即便如此還屢屢有神來之筆:愛因斯坦-羅森橋我們前文已經講述過了;EPR佯謬則是和玻爾隔著大西洋打筆墨官司;愛因斯坦與德布羅意波和薛定諤是一伙兒的,他這篇論文引得薛定諤搞出了一個著名的思維實驗——“薛定諤的貓”。本章的重點當然

        是他有關引力波的論文,這篇論文也是與羅森合作完成的。早年間,愛因斯坦還在鼓搗相對論的時候,就隱隱約約地感覺到會有引力波的存在。為什么呢?因為愛因斯坦認為,這個宇宙當中,沒什么信號傳播速度能超光速。那么引力呢?引力的傳播要不要時間呢?牛頓的體系里引力的傳播是立刻到達,不需要傳播時間的,或者說,牛頓發現了引力與質量和距離有關,具體關系可以用萬有引力來算,但是引力是如何傳遞的,牛頓沒工夫搭理。愛因斯坦認為:引力傳播是不可能超越光速的,必定需要時間,那么顯然就會以波的形式向外擴散,這就是引力波。

        愛因斯坦拿到一筆經費,讓他研究統一場理論,還有一部分電磁學方面的內容。當然了,他也沒放棄在引力波方面的研究,他的助手羅森的合作期限快要到了,羅森對平面引力波也很有興趣。兩個人就開始研究平面引力波。萬有引力定律和電磁學的庫侖定律,看起來還真有那么一點像,大家都遵循平方反比規律。按照愛因斯坦的想法,他們要顯示仿照電磁場的處理方式,開始構建引力場,從麥克斯韋的電磁學方程式慢慢推導,最后會變成量子化的方程。方程的一部分代表虛光子,也就是電磁力,另外一部分代表光子,也就是電磁波。方程里面隱含了一個結論,那就是光子靜質量為0,凡是靜質量為0的粒子,必定是以光速來運行的。這部分的東西其實已經涉及量子場論,也就是把相對論和量子力學結合起來了。

        愛因斯坦知道,電磁場可以如此處理。麥克斯韋方程式是線性的,處理起來相對容易,但是廣義相對論的場方程并不是線性的,處理起來極其麻煩。只有在很弱的情況下,才可以近似認為是線性的,這叫做“弱場近似”。按照這個思路,愛因斯坦就把引力場做了類似的處理,仿照電磁方程的推導方式,看看能不能推導出一個波動的解。他與羅森兩個人接著往下計算,一個老大難問題冒出來了,說白了他倆就碰上了惱人的“∞”。在物理學計算中,是需要選取坐標系的。假如坐標系選取不合適的話,會出現發散的情況,在黑洞的計算里,就遇到過這樣的問題。所謂黑洞表面,也就是視界事件上,也會出現發散的情況,但是通過坐標變換,就消除了發散。在史瓦西黑洞的中心有個奇點,這個奇點是無論怎么坐標變換,都沒法消除的。

        愛因斯坦當然懂這個道理啊,他跟羅森在計算引力波的時候,也碰上了這個問題。這奇點到底是能消掉的呢,還是消不掉的呢?你拍腦瓜也沒用。所以呢,愛因斯坦和羅森這篇論文的題目就叫《引力波存在嗎》,他倆認為,可能引力波是不存在的,原本認為有戲,現在看來夠嗆。寫完這篇文章,羅森就去了蘇聯基輔大學任教,這篇論文的一切后續事宜都由愛因斯坦代理了。愛因斯坦把論文投稿給了美國當時頂尖的刊物《物理評論》,以前他們有過合作。

         美國人跟歐洲人不一樣,他們發論文都要求背對背審稿,《物理評論》雜志的主編就給愛因斯坦找了個審稿的人。可愛因斯坦不知道,歐洲沒這個習慣。《物理評論》要打造高質量的論文期刊,一點兒馬虎不得,哪怕像愛因斯坦這樣的祖師爺也不能壞了規矩。果然,審稿人員挑出若干毛病,寫了一大堆的審稿意見,《物理評論》的主編就轉給了愛因斯坦,話說得也很客氣:“您不妨先看看審稿意見再說。”愛因斯坦心里多少有些不悅,以往都是一路綠燈,怎么這一次耽擱了一個月還沒消息?他看到審稿意見,當時就給《物理評論》的主編寫信,表示撤稿,不發了。自己是相對論的祖師爺,還有誰能給祖師爺審核稿子?人家主編也堅持原則,這是程序啊,不能不遵守。愛因斯坦前幾篇論文也沒有嚴格的審稿,哪知道這一回通不過。堅持原則的主編也付出了代價:愛因斯坦再也沒在《物理評論》上發表過文章。

        愛因斯坦一轉手,就把文章投遞到了另一個名氣較小的刊物上,叫《富蘭克林研究所學報》。人家一看小廟來了尊大菩薩,馬上就表示同意刊登。當時印刷排版都是鉛字印刷,周期比較長,愛因斯坦就去忙別的事情了。正巧,他來了一個新助手叫英菲爾德,英菲爾德也跟隨愛因斯坦搞引力波的研究。先前愛因斯坦與羅森合作的引力波論文當然他是看到過的,當時就有些狐疑,他覺得引力波應該是存在的,現在碰到的問題可以解決,但愛因斯坦畢竟是神一般的存在,英菲爾德也不太敢懷疑祖師爺,他還是接受了愛因斯坦的意見,引力波很可能不存在。

        后來,英菲爾德結識了一個好朋友,此人就是羅伯遜教授。一來二去兩人聊到引力波問題,這個羅伯遜教授居然侃侃而談,清晰明了地就把問題一一點破,該選哪個坐標系,該怎么計算,三下五除二就把那個讓他們頭痛的問題解決了。英菲爾德一聽,馬上告訴了愛因斯坦,愛因斯坦這幾天腦子已經轉過彎了,跟羅伯遜一討論,立馬態度大反轉:他現在覺得引力波是存在的。

        愛因斯坦把論文的標題給改了,改成《關于引力波》,這態度是一百八十度的大反轉啊!可是先前的文章已經給了費城的《富蘭克林研究所學報》,人家已經開始印刷了吧?那可糟了。這要印出來那不是丟祖師爺的臉嘛!還好,《富蘭克林研究所學報》送來校對稿,還沒開印。愛因斯坦趕緊打補丁,幸虧沒印出來,還有修改的余地,修改完了還在后邊加了一句鳴謝:感謝羅伯遜教授提供了有益的幫助。羅伯遜那時候才三十七歲。

        羅森后來看到發表出來的文章一臉蒙圈,怎么結論大翻盤了,愛因斯坦你反水也太快了點兒吧!羅森還是不認賬,他一直不承認引力波的存在。
當年給愛因斯坦審稿的那個人究竟是誰呢?后人逐一排查下來,目標就落在了羅伯遜本人身上。后來有人去翻故紙堆,查當年的書信和單據,當年給愛因斯坦審稿的果然就是羅伯遜自己,他并沒有對外透露。當然,《物理評論》的主編當時也沒告訴他論文稿子是愛因斯坦和羅森寫的,只告訴他是個大神級別的人物。

       可事情就這么巧,他跟愛因斯坦是同事,而且后來還成了朋友。愛因斯坦當年接到審稿意見以后一腦門子官司,看都沒看,要不然他早就可以發現自己的問題,何至于要等羅伯遜拐彎抹角地提醒他,審稿意見里面寫得清清楚楚,你不仔細看怪誰啊?

        這個羅伯遜教授,名字好像在哪里見過對吧?沒錯,他就是那個宇宙大爆炸模型的核心公式“弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃克度規”的提出者之一,人家是那個時代少有的精通廣義相對論的人之一。我們也不妨設想一下,要是英菲爾德沒碰見羅伯遜,愛因斯坦和羅森那篇錯誤的論文發表了出去,又會是怎樣一種后果?不嚴格的審稿對期刊或者對科學家本人來講,都是一種傷害,對科學本身就更沒有好處,這件事也多虧了《物理評論》的編輯堅持原則和羅伯遜教授的巧妙提醒。

        愛因斯坦雖然算出了引力波公式,但是大部分時間都是被束之高閣的,因為引力波根本沒有辦法來檢測,一般的天文事件發出的引力波微乎其微。比如太陽系最大的行星——木星繞著太陽旋轉,在這個過程中會不斷輻射出引力波,那么質量達到地球質量三百倍的木星到底輻射出多大功率的引力波呢?大概也就五千瓦左右,約等于三個烤箱的功率,太微弱了。木星公轉一周大約需要十二年時間,在那么廣袤的空間里,檢測一個周期長達十二年的微小波動是根本不可能的,即便是現在也難以做到。

        要想檢測引力波,那有兩個條件:首先是頻率不能太低,像木星這樣的轉一圈需要十二年,恐怕沒人耗得起。年紀輕輕的研究生投身引力波觀測事業,僅僅測幾個周期就已經到了退休年齡,這恐怕不行。還有一條就是強度大,微弱的引力波動很難檢測到,能符合這個條件的,只有中子星和黑洞了,也就是高密度天體。大質量恒星塌縮成中子星或者黑洞的時候,發出的引力波微乎其微,完美對稱的過程都不會產生引力波。要產生引力波,就要靠不對稱的東西,兩個天體相互圍繞旋轉是個不錯的選擇。

                                 圖20-1 韋伯的實驗裝置

        實際去探測引力波,第一個吃螃蟹的人是韋伯(圖20-1)。他搞了個鋁制的大圓柱,圓柱上布滿了感受應力的晶體。引力波是個橫波,那么這個圓柱在引力波的扭曲下,會產生變形,晶體就能收集到這種信號。但是引力波非常微弱,而且引力波很難變成其他能量。相比之下,電磁波就很容易變成其他能量,很容易探測,電磁波也比引力波強得多,強度大了幾十個數量級,因此韋伯探測引力波的難度非常大,熱噪音就足以淹沒微弱的信號。而且引力波探測器僅有一個肯定不行,那樣的話沒有辦法排除外界的風吹草動,走路的腳步振動、機器振動等都會引發虛假信號。起碼要有兩套實驗裝置,分置于兩地,相距越遠越好,這樣就可以排除掉很多干擾。實驗裝置A處有人跺了一下腳,千里之外實驗裝置B旁邊總不會那么巧也有人跺了一下腳吧!兩地實驗數據對比一下,很容易排除這種噪音。韋伯就用了兩個實驗裝置,突然有一天他發現接收到了神秘的信號,他大喜過望,可是這種信號后來再也沒出現過。孤證不立,這不算數,別人也無法重復他的發現,起碼要幾次重復才算能確認的確是有效的信號。看來這個辦法不靈,以二十世紀六十年
代的技術水平,也確實不夠用。科學家們在各地建造了若干個相同原理的實驗裝置,都沒有什么收獲。此后,探測引力波的實驗又一次沉寂下去,一點進展也沒有。

        到了二十世紀七十年代,可算有了一點進展:脈沖星被發現了。這個脈沖星就是傳說中的中子星,脈沖星密度極高,后來又發現了脈沖雙星,兩顆高密度的中子星,相互圍著旋轉,速度非常快,它們輻射出來的引力波非常強。我們的宇宙里有個基本的法則:“出來混,總要還的”,能量守恒總要遵守,一部分能量隨著引力波輻射出去了,那么脈沖雙星的總能量就要降低,軌道就會變小,相互就會越靠越近,直到最后撞在一起。既然如此,我們可以來算算每年這兩顆星靠近多少,周期有什么樣的變化。

        1974年美國科學家泰勒和赫爾斯利用引力波的公式計算了一下能量的損失狀況,兩顆星每年相互靠近三點五米,軌道半徑逐漸變小,周期將會變慢76.5微秒。那好吧,現在可以看看計算與觀測結果是不是能對上茬。他們兩位花了三十年時間,仔細觀測了這一對雙星,發現觀測結果跟引力波的計算是完全相符的,這是關于引力波的第一個靠譜的觀測證據,是個間接證據。1993年,泰勒和赫爾斯獲得了諾貝爾獎,以獎勵他們對脈沖雙星的研究。人家“炸藥獎”委員會只字不提引力波,因為引力波還沒被直接觀測到。說話嚴謹低調,滴水不漏是諾貝爾獎長盛不衰的秘籍之一,正因為他們嚴謹的態度,諾貝爾科學類獎項常年保持了很高的公信力。

       接下來我們不得不再一次提到基普·索恩,這個計算出可穿越蟲洞的家伙在引力波的探測方面也扮演了重要的角色。二十世紀七十年代,索恩是加州理工最年輕的物理學教授,和老師惠勒以及米斯納一起寫了《引力論》,這本書后來被譽為“引力圣經”。就在那個年代,索恩碰上了麻省理工的賴納·韋斯,他提供了一個想法,就是利用激光干涉儀來探測引力波。兩個人一拍即合,立馬開始去四處去忽悠人忽悠錢,沒錢那是萬萬不能的。索恩說服了加州理工掏錢支持引力波探測項目,后來又把美國國家科學基金會也拉了進來。二十世紀九十年代的時候,引力波探測項目還是科學基金會資助的最大的一個項目。僅僅有了錢不行啊,還要招攬人才。大門向全世界開放,各國都有科學家參與,現在“激光干涉引力波天文臺(LIGO)”已經發展到了幾千名員工,大批科學家參與其中。索恩也很擅長向公眾普及科學知識,因為現代的大型科學項目離不開普通老百姓的支持,假如沒有深厚的群眾基礎,投資人也就沒那么熱心,不管是大學還是國家機構,掏錢的時候都沒有那么大方。索恩深諳此道,他寫的科普書也很暢銷,總是能夠深入淺出地講明科學道理。退休以后,索恩仍然不閑著,還擔任了大片《星際穿越》的科學顧問,成了好萊塢的“非著名演員”。老頭當年也很樂觀,他預計1980年就能探測到引力波,但是迎來的是一次又一次的失望。在有生之年能不能看到引力波被探測到,誰也沒有這個把握。

        索恩牽頭推動的LIGO是一個大型的激光干涉儀,說白了就是當年邁克遜干涉儀的放大版:兩條相互垂直的臂,激光束在里面穿行若干次,最后形成干涉條紋。假如引力波來襲,光路有一絲的拉長縮短,干涉條紋就會偏移,就可以被儀器檢測到。一般來講,高精度的觀測都是利用光的干涉,因為光的波長很短,稍有變化,干涉條紋上就能看出來。

        LIGO觀測所擁有兩套干涉儀,一套安放在路易斯安那州的利文斯頓,另一套在華盛頓州的漢福。在利文斯頓的干涉儀有一對4千米長的臂,而在漢福的干涉儀則稍小,只有一對2千米長的臂。這兩套LIGO干涉儀在一起工作構成一個觀測所,這是因為激光強度的微小變化、微弱地震和其他干擾都可能看起來像引力波信號,如果是此類干擾信號,只會記錄在一臺干涉儀上,另外一臺不會受影響。而真正的引力波信號則會被兩臺干涉儀同時記錄。所以,科學家可以對兩個地點所記錄的數據進行比較得知哪些信號是噪聲,還可以利用兩臺干涉儀的數據來推斷信號來自何處,這也算是一種甚長基線干涉測量。LIGO從2003年開始收集數據,它是目前全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測器,光束要在管道里面來回反射四百次,4千米的長度等于變成了1600千米。LIGO工作了一段時間,一無所獲,因為靈敏度還是不夠高,后來大家又花了好幾年來升級設備。然后,剛一開機,還在調試階段,就“Duang”的一聲來了個強信號。經過簡單的濾波,大家肉眼都看得出來,這是個明顯的震蕩信號,引力波信號來襲的時候,會不斷拉伸扭曲激光的光路,這樣光路就會不斷變長變短,哪怕變化僅有一個質子直徑的千分之一,也會被察覺到。果然這運氣不是一般的好啊!

        2015年9月14日北京時間17點50分45秒,LIGO位于美國利文斯頓與漢福德的兩臺探測器同時觀測到了GW150914信號。從信號波形來看,它倆越轉越激烈,最后“Duang”地撞到一起,合并成為一個更大的黑洞。開始黑洞還不太圓,估計像個花生的形狀,只要旋轉的物體不圓,就會輻射出引力波,這個痕跡在干涉儀接收到的波形上能看出來。隨著引力波不斷地輻射出去,黑洞也變成了完美的對稱形狀。這時候,引力波消失了,一個完全對稱的旋轉黑洞是不會有引力波輻射的,原本兩個黑洞所攜帶的角動量也合并了。角動量是守恒的,即便是合并了,角動量也不會消失。只用了零點二秒的時間,一個三十六倍太陽質量的黑洞和二十九倍太陽質量的黑洞,就這么合二為一了。瞬間輻射出的引力波包含的能量就相當于三個太陽質量,瞬間輻射功率超過了我們看得見的滿天繁星的總發光功率。合并前他們速度達到了光速的零點六倍,這對宏觀天體來講,那是相當厲害了。

         此刻,科學界對引力波給予高度的評價!還是要說愛因斯坦他老人家英明神武,總有神來之筆,也要慶幸多虧了羅伯遜及時點破,避免了老愛晚年再犯一個錯誤。索恩老爺子可算是喜上眉梢了,引力波的發現可以說是達到諾貝爾獎級別的重大成果。讓我們祝愿索恩老爺子身體健康,因為諾貝爾獎反應慢是出了名的,等待幾十年的大有人在,去世的人不予考慮也是他們很重要的原則,看來壽命長才是王道啊!活久見!2016年6月15日,在圣迭戈美國天文學會第228屆年會上,LIGO科學家宣布第二次探測到了引力波事件。經過幾個月的數據處理與確認,2015年12月26日LIGO和VIRGO合作組的科學家收到了一份圣誕大禮:又聽到了一聲“Duang”,來源還是黑洞的合并。一個八倍太陽質量的黑洞和另外一個十四倍太陽質量的伙伴合并了,產生了一個二十一倍太陽質量的黑洞,剩下的能量伴隨引力波輻射了出去。由于這兩個家伙比上次發現的要小,因此“二人轉”的時間也更長,科學家們可以好好地欣賞一下它們的表演。看來成雙成對的黑洞基友還真是不少啊!

         LIGO的成功,別人都眼饞,歐洲各國都在搞引力波探測計劃,日本也不甘落后。英德兩國搞了個GEO600探測器,干涉臂長六百米;法國與意大利聯合搞了個VIRGO探測器,臂長3千米;日本先前有個TAMA300探測器,臂長僅僅三百米,顯然是拿不出手,后來他們也開始建造大型的KaGRA引力波探測器,如今已經進入調試階段。LIGO和印度合作,還想在印度開一家“分號”,把一部分設備搬到印度去,搞一個LIGO-India的引力波觀測站。
地面上這種幾千米長的干涉臂對于100赫茲的信號最敏感,因此觀察黑洞合并特別擅長。要觀測慢速繞轉的致密雙星就不賺便宜了,因為頻率太低,需要很長的干涉臂,還要放到太空里去搞。于是歐美搞了個LISA計劃,想放到拉格朗日點上進行探測,在那里可以安安靜靜地探測引力波。無奈地主家也沒有余糧,最后搞了個縮水版的eLISA計劃。

        我國最近開始關注大科學工程,引力波又是熱門話題,所以我國也開始搞引力波探測項目,例如天琴計劃。太空里的探測器和地面上的探測頻段不樣,太空里面探測0.01赫茲到0.0001赫茲的頻段比較合適,也就是雙中子星繞行的頻段,天琴計劃就是針對這個頻段的。天地之間的探測器是互補合作的關系,將來全球的探測器組網,對于精確的定位也有好處。現在定位很粗略,只能大約判斷一條狹長的帶,具體位置還是不太清楚。

        要說引力波在科學上的意義,首先是愛因斯坦預言的引力波總算被發現了,更進一步證明了廣義相對論的正確性。其次是有關黑洞方面,以前我們總是推測,在星系中心有一顆超大質量的黑洞,因為那么小的范圍內,有上百萬個太陽質量集中在那里,想來也不可能是別的東西,但是仍然是間接地推測。這次是直接地觀測到了兩個完全不發光的天體發生的一次合并,完全是一次“黑吃黑”的行動。黑洞直接向我們述說了當時所發生的一切,這一次我們聽到了,我們并沒有靠電磁波,靠的是時空的漣漪——引力波,這是一場天文觀測的革命。

        我們還關心一個問題,中子星上有山脈嗎?假如中子星上面有幾厘米高的山,外形就不是對稱的,旋轉的時候也會輻射引力波,我們觀測它的引力波就能了解到中子星上的地形狀況。超弦理論號稱“萬有理論最靠譜的候選者”,弦論總是很玄,普通人都不好理解,即便是專業人士也不見得能完全搞懂。有人說,在宇宙早期相變過程中,可能產生極細卻達到宇宙學尺度的長度的“宇宙弦”,就像耳機線,你不理它,它自己就會變得亂七八糟的。宇宙弦也會自己變成一團亂麻,萬一在哪里斷了,也會搞出引力波。宇宙弦還會折騰出“閉合類時線”,這可是彭羅斯與霍金很不喜歡的東西。到底存不存在
宇宙弦呢?比較玄,我們不妨耐心去傾聽一下,看能不能發現宇宙弦斷裂的“咔吧”聲。

        在理論方面,還有個大家不太注意的地方,那就是有關引力子。引力波在真空里可以任意穿行,必定是符合波粒二象性的,也就是說,既是波又是粒子。光是電磁波,但是同時也是光子,以此類推,引力波既然是存在的,那么引力子也必定存在。盡管到今天為止各種引力場量子化的理論還都不完善,但是目標值得去追求。引力波本身的計算也還不是很完善,現在傳到地球的引力波都非常微弱,這種非常微弱的引力波,是可以做線性近似計算的,依靠“弱場近似”還可以對付,要是非常強的引力波,那可是一個頭兩個大。要是我們碰上非常強的引力波該怎么觀測呢?告訴你吧,其實根本不用操那個心,也沒工夫操心了,因為如果碰上非常劇烈的、波長又很短的引力波,我們會瞬間被撕碎,一切都OVER了。

        只要時間夠長,什么稀奇古怪的事情都能碰上,時間真是神奇的東西。但是,最難回答的一個問題,反倒是針對時間本身的:時間是什么?沒人說得清。老話說“一寸光陰一寸金”,要想了解這個我們平常都很熟悉、但是又沒人能真正講清楚的東西,看來還需要費一番周折。這本是哲學家討論的話題,物理學家們是怎么摻和進來的呢?欲知后事如何,且聽下回分解……
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