曹军威:宇宙天籁——引力波(4)

摘要:引力波的直接探测,震惊全球,无疑是本世纪迄今为止,在天文学领域最具里程碑意义的重大科学发现之一,就像望远镜的发明或太空无线电波的发现一样。发现引力波的意义,不仅是验证广义相对论,更对天文探测起着无比重要的作用。比如,之前,几乎没有人会相信第一个探测到的引力波信号会是双黑洞并合,而且是质量如此之大的黑洞双星。通过这一次观测,科学家知道了数十倍太阳质量的黑洞是可以存在的。这一切,都无法通过传统的电磁波天文学得到,因此,引力波天文学将成为21世纪的天文学。

它是一个客观存在的场,而且是可以携带能量的,我想把这样的概念给大家建立起来。时空是相对的话,唯有一个是绝对不变的,那就是光速。如果需要测量时空的相对性,只能以绝对不变的光为媒介。探测引力波,要使用的就是激光干涉的方法,以光为媒介去测量时空相对性微小的变化,这个后面会讲到。

引力波很难探测是因为影响非常小,小到什么程度?是十的负十八次方米这么大。所以,爱因斯坦当年在算出来这个引力波后,他说人类是不可能探测到引力波的。我们讲十的负十八次方是个什么概念,头发丝的直径是十的负六次方米,再细一万倍,就变成了氢原子的直径——十的负十次方,氢原子再缩小十万倍,质子的直径是十的负十五次方米,千分之一质子的直径,十的负十八次方米。

只有在黑洞极端运动的物理条件下,它才能产生巨大的能量交换,但是所产生的引力波真正到达地球以后,人类所能探测到的尺度也是非常小的。引力波所引起的变化,是跟距离成正比的。引力波引起距离的变化越远,引力波引起的距离变化就越大。

刚才讲1915年人类预测了引力波存在,但是真正探测引力波,是从上世纪60年代开始的。1993年的诺贝尔物理学奖,就是奖给了探测引力波的间接证据。这个间接的证据是什么呢?就是对于一个脉冲星的双星系统,比如,质量较小的中子星,中子星的好处就是它也是相互环绕运行,但是它离地球较近,我们可以用望远镜,或其他手段来探测,虽然还不能直接探测到它所释放出来的引力波,但是可以测量出来,两个中子星之间相互环绕旋近的过程,它的曲率越来越小。从1973年开始的二三十年的时间里,一直在量测两个现有的,我们能够观测到的脉冲星的双星系统。我们观测到这样一个半径,这个半径的变化是曲率越来越小。另外我们用爱因斯坦广义相对论来理论上来计算这个衰减的话,和我们量测到的实际发生的曲率正好拟合得非常好,所以,这是一个引力波存在的间接证据。

到了2016年,我们直接探测到引力波所引起的时空弯曲的变化,同时还直接看到了它的波形,这个波形就是引力波导致时空变化的动态过程。所以,从定量的程度来讲,这次的直接探测比起以往的间接证据更有说服力。从定量分析的角度来讲,这次的探测结果是非常完美的。

之前跟大家讲了,引力波探测非常难,因为引力波非常小,而且它是相对的时空弯曲,必须通过光来探测,另外就是距离越长,我们能够探测到引力波的变化就越容易。那基于这几点,我们实际上构建了一个激光干涉的原理。这就是为什么引力波天文台的臂会很长?一个臂就有四公里长,因为刚才讲的,臂越长,探测到引力波信号所导致时空的变化就会越大,就越容易探测到。那这样的天文台不仅仅是一个,人类建了两个,它们的距离是三千公里。从1991年和1992年开始建设,历经了20多年,那这20多年人类科学家又做了什么呢?除了这个基础的建设以外,就是不断地去调试激光干涉仪,提高灵敏度。直到2016年的9月初的时候,我们的引力波天文台才调到了真正能够探测到引力波的精度。我们达到这个精度的一周时间,就拿到了非常强的引力波的信号。我们这次探测到的引力波是13亿光年远的双黑洞合并时发出的,传递到地球,用了13光亿年。

责任编辑:李天翼校对:叶其英最后修改:
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