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          黃慶國:LIGO發現引力波:開啟一個探索宇宙奧秘的新時代
          2016-09-27  【 】【打印】【關閉

            引力波是時空的漣漪,是時空曲率以波動的形式傳播的一種擾動。這種波動可以承載和傳遞能量。一百年前愛因斯坦提出廣義相對論后就預言存在引力波。2016211LIGOLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,即激光干涉引力波天文臺)宣布發現距離地球約13億光年的兩個黑洞并合產生的引力波。此發現不僅證實引力波的存在,而且補上了愛因斯坦提出的廣義相對論一塊關鍵的拼圖。如果愛因斯坦現在還活著,他將會再次獲得諾貝爾獎!當然今天引力波的發現者也有充分的理由榮膺這一殊榮。 

              

            為什么蘋果總是垂直地落到地面?為什么不從側面又或是向上,而是永遠朝向地球的中心?一定有某種力量把蘋果垂直地拉向地面。這種力量甚至可以延伸到更遠的距離以至于整個廣袤的宇宙空間。正是引力把宇宙中的物質聚集在一起,孕育了璀璨的宇宙結構乃至生命。1687年牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中正式發表了他的引力理論:“宇宙中每個質點都以一種力吸引著其它各個質點。這種力與各質點的質量乘積成正比,與它們之間的距離平方成反比。”引力并非只存在于特定的質點之間,而是普遍存在于宇宙中任何兩個質點之間。因此引力是“萬有的”。那個時代的人們信奉絕對的時空觀:時間就是時間、空間就是空間,這兩者是截然不同的兩個概念。在牛頓引力理論中質點間引力相互作用的傳遞不需要時間,而是在空間上瞬間傳遞。這種觀念主導了之后兩百多年人類對引力的認知。 

              

            直到1905年,愛因斯坦提出狹義相對論才打破自牛頓以來建立的絕對時空觀。在狹義相對論中時間和空間不再是完全獨立的概念:時間和空間是相對的。無論光源如何運動,真空中的光速對于不同的觀測者都是有限且一樣的,而且任何相互作用的傳遞都不能超過光速。這明顯與牛頓引力理論相沖突。為了協調牛頓引力理論和狹義相對論,1915年愛因斯坦提出了廣義相對論。引力被解釋為時空幾何的彎曲,這種彎曲又直接由時空中物質的能量動量張量決定。地球對蘋果的引力源于地球巨大的質量扭曲了地球周圍的時空,蘋果在被地球扭曲的時空背景上向著地心運動。就像在一張蹦床中間放置一個鉛球,這個鉛球改變了蹦床的形狀。如果再在蹦床上放置一個網球,那么這個網球就會向著這個鉛球的中心滾落。看上去就像是這個鉛球在吸引著這個網球向它靠攏。對普羅大眾而言,廣義相對論聽起來像是一個高度抽象而又與大家每天的生活完全無關的理論。事實絕非如此!比如現在廣泛使用的全球定位系統就需要計入狹義和廣義相對論的修正才得以實時地精準測定地面上物體的位置。 

              

            在牛頓引力理論中引力是瞬時傳播的,因此沒有引力波。但是,在廣義相對論中物質對時空幾何的影響不是瞬時的,引力相互作用傳遞的速度不能超過光速。這種傳播速度的限制導致引力波的存在。加速一個有質量的物體時,這個物體所產生的時空彎曲所發生的變化會以光速像波一樣向外傳播。這就是引力波。1916年愛因斯坦寫下了廣義相對論中引力波的精確公式,從而預言存在以光速傳播的引力波。 

              

            當引力波迎面穿過遙遠的觀測者時,觀測者會發現她一會變高變瘦、一會又變矮變胖、一會又變高變瘦,如此循環往復。盡管愛因斯坦預言存在引力波,但是由于引力波輻射的能量常常過于微小,以至于在所能想到的情況下引力波輻射都是可以忽略不計的。地球距離半人馬座如此遙遠以至于光都需要跑上大約4.3億年。但是引力波造成地球和半人馬座之間距離的變化也就只有約一根頭發絲般大小。探測引力波就是要去發現如此微小的距離變化。或許愛因斯坦甚至都未曾想過他當年所預言的引力波在百年之后的今天真的可以被探測到!看來做科學研究也是要敢想才會贏。 

              

            很顯然要探測到引力波需要兩個條件:其一是要有足夠強的引力波源;其二是要有足夠靈敏的探測器。 

              

            宇宙中有各種各樣的引力波源。螺旋形相互靠近的兩個致密天體在相互環繞和并合時會發射出強大的引力波。就像兩個鉛球在蹦床上相互環繞運動時蹦床會起伏、震顫,而且這種起伏、震顫像波浪一樣向外傳播。這兩個天體越重,它們靠得越近,那么這樣的一個雙星系統產生的引力波就越強。要同時滿足這兩個條件需要這兩個天體十分致密。在宇宙中這樣的致密天體主要有白矮星、中子星和黑洞。特別是黑洞,它在極小的半徑內聚集大量的質量,以至于產生極強的引力導致光都無法從中逃逸出來。舉一個例子:太陽的質量大約是2千億億億頓,半徑大約是70萬公里,而一個和太陽同等質量的黑洞的半徑只有約3公里。一般認為最有希望探測到的引力波將會來自雙黑洞并合。不幸的是雙黑洞并合的事件在我們的銀河系中大約每百萬年才發生一次。如果探測距離可以擴展到數十億光年的距離,這個距離之內有數百萬個星系,那么人們仍有機會探測到在遙遠的地方發生的黑洞并合所釋放出來的引力波。 

              

            要測量微小的距離變化就需要想個辦法把這種微小的變化盡可能地放大到足以被感知的程度。上世紀九十年代,美國麻省理工大學的維斯就想到一個絕妙的辦法:利用激光的干涉效應來偵測引力波。簡單來說就是讓一束激光以45度角打到一個半透鏡上。之后這束激光被分成兩束分別朝著透射和反射兩個互相垂直的方向行進,然后各自撞到一面反射鏡后反射回來重新匯聚。如果兩面反射鏡和透射鏡的距離精確相等,匯聚后的激光就會由于干涉而相互抵消。當引力波傳來時,這兩面反射鏡到透射鏡的距離就會發生微小的變化(沿著一個方向收縮,沿其垂直方向延展)。這種微小的距離變化最終影響匯聚后激光的干涉條紋。這就是利用激光干涉探測引力波的基本原理。美國加州理工大學的索恩發現激光干涉的方法確實可行。于是麻省理工大學和加州理工大學在美國合作建造了兩個激光干涉引力波天文臺。激光干涉引力波天文臺呈巨大的L形分布,像巨人的兩條手臂一樣垂直擺放。臂長越長探測引力波的靈敏度也就越高,但是也就意味著更高的技術要求和更多的經費預算。最后他們決定建造兩個臂長為4公里的激光干涉引力波天文臺。按照初步的估算,一個雙黑洞系統并合時發出的引力波經過這樣的激光干涉引力波天文臺時產生的形變也不過一根頭發絲的1萬億分之一,或者一個原子的1億分之一!甚至一輛卡車經過或者一次輕微的地震都足以產生比這大得多的影響。因此激光干涉天文臺需要建造在人跡罕至的地下,并將光學裝置置于結構復雜的防振臺上用以盡量減小地震帶來的影響。為降低空氣分子熱運動的影響,他們又將光路置于幾乎完全真空的環境。當然這些都還遠遠不足夠。為了減小特定地域偶然的人類活動或地震等產生的影響,他們把這兩個天文臺分別建在距離3030公里的路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德。只有這兩個距離如此遙遠的天文臺同時探測到的信號才有可能真的來自引力波。 

              

            這兩個激光干涉引力波天文臺于199911月建成。在停止運行并升級應用了很多新技術后,相較于2010年探測靈敏度提高了大約4倍的aLIGOadvanced LIGO,即提升的激光干涉引力波天文臺) 于20159月開始運行。到2021年它的靈敏度有望再提升大約2.5倍。屆時提升的激光干涉引力波天文臺所能探測的宇宙空間比原來的激光干涉引力波天文臺要大1000倍。按照最初的預計2015年共計三個月的運行時間內提升的激光干涉引力波天文臺有可能觀測到大約0.00043個雙中子星系統釋放出來的引力波信號。十分幸運的是這兩個相距3030公里的激光干涉引力波天文臺在開始運行后很短的時間內,即2015914日,同時測量到一個相同的引力波信號。這有力地證明這個信號應當不是由偶然的人類活動或者地震造成的,而確實是來自引力波產生的時空扭曲。經過細致的分析,他們的結論是這個信號發自距離地球約13億光年質量大約分別為3629個太陽質量的兩個黑洞的并合。并合后形成一個質量約為62個太陽質量的黑洞,釋放出能量大約相當于3個太陽質量的引力波。他們真的做到了!這是一個不可思議的成功。文章正式發表在20162月的《物理評論快報》。現在全世界的人都在為他們歡呼,慶祝他們的成功! 

              

            發現引力波不僅為了證實引力波和愛因斯坦的引力理論,而且在于它開啟了一個全新的方式去窺視宇宙的奧秘。人類從此可以擺脫完全依賴電磁信號(包括可見光和射電)來探索宇宙的單一方法。事實上宇宙中有很多物理過程很難用電磁信號來探究。經典意義下黑洞是黑的,它完全不發光,因此光信號并不能很好地幫助我們了解黑洞的基本物理。即便黑洞有霍金輻射存在,一個宏觀的黑洞所產生的霍金輻射也太過于細微而無法察覺。此外,在年齡小于38萬年的宇宙中充滿了帶電的粒子,這些粒子和光強烈的耦合在一起,以至于光都無法在宇宙中自由的傳播。因此光信號也不能穿透到宇宙的早期。但是,引力是萬有的,引力波可以在真空又或是充斥著致密物質的區域中自由傳播,無法阻隔。因此引力波可以直接攜帶大量有關黑洞、中子星、超新星的核心,以及宇宙起源等等的信息,甚至于最終幫助我們理解極為深奧的時空的本質。 

              

            提升的激光干涉引力波天文臺發現雙黑洞并合所釋放出來的引力波僅僅個開端。相信它在不遠的將來可以發現更多來自不同引力系統發射出來的引力波。與此同時,歐洲和日本也都在興建新的激光干涉引力波天文臺,例如歐洲的VIRGO和日本的KAGRA(北京師范大學天文系主任朱宗宏教授是此項目的參與人之一。去年朱宗宏教授與參與LIGO的美國加州理工大學陳雁北教授在中國科學院卡弗里理論物理研究所舉辦了引力波天文學的一個大型國際會議,并在《中國科學》英文版刊出專刊)。這些天文臺將組成一個全球引力波探測網絡。基于太空的探測裝置計劃也在籌備之中,比如由歐洲主導的eLISA,中科院的太極計劃,以及由我國中山大學主導的天琴計劃等。毫無疑問,基于引力波的發現,人類對宇宙的認識將會大踏步向前進。 

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