通俗什么是引力波?它为何如此重要?

2017-10-03 21:15

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  核心提示:引力波的发现,是科学史上又一次具有划时代意义的事件。一个世纪前,爱因斯坦预测了引力波的存在。对于它们的存在,近百年来,科学家们只能找到间接的。而在美国当地时间2016年2月11日这一天,这个百年前的伟大预言终于被。那么,究竟什么是引力波?它为什么如此重要?

  模拟图显示两个黑洞碰撞并合,产生引力波。 图片来源:美国理工学院LIGO网站

  众所周知,所有物质和能量之间都存在着引力,比如说,物体在地球上的重量,便是地球对其引力所致。尽管,引力是人类最早认识的一种基本作用力;但是,人们对它的认识却不太清楚。因此,无论是理论或实验领域,物理学家们对引力仍然探索不止。

  一个世纪前,爱因斯坦预测了引力波的存在。对于它们的存在,近百年来,科学家们只能找到间接的。而在美国当地时间2016年2月11日这一天,这个百年前的伟大预言终于被。当天上午,激光引力波观测台(LIGO)实验组召开新闻发布会,告诉全世界,首次直接观测到了由两颗恒星级黑洞13亿年前并合产生的引力波。这是科学史上又一次具有划时代意义的发现。

  引力全称,又称重力相互作用,它是指具有质量的物体之间加速靠近的趋势,简单说就是物体之间相互吸引的作用力。它是自然界的四大基本相互作用力之一,也是自然界中最普遍存在的力,可以说是无处不在。

  中国科学技术大学物理学院教授蔡一夫解释说,在经典力学中,被认为是带有质量的物体之间所存在的相互作用。然而,在爱因斯坦的广义相对论中,是由于存在质量对时空的弯曲所造成的现象。“广义相对论认为,物质的质量会使得时空弯曲。比如说有个人在一个沙发上坐下时,原本平整的沙发表面就立刻会向下凹陷,出现一个坑,而之前放在沙发周围的物体就有向坑中间滑落的趋势,于是就产生了。”

  “在空间也是一样,比如把太阳、地球、恒星、黑洞等大质量的放在时空中,时空就会形成‘凹陷弯曲’,也就产生了。”美国麻省理工学院物理系研究员苏萌说。

  由此可见,在爱因斯坦广义相对论的视野里,引力等价于弯曲的时空。而引力波就是在弯曲的时空这个大背景下,当发生有质量的物体加速运动导致的扰动时,由此产生的波动如波纹一样向播的现象。“如果把引力比作大海,那么引力波就是大海中波浪的激荡。”蔡一夫说。

  蔡一夫拿蹦床举例进一步解释说,“如果一个运动员站在蹦床上,他站着的那个就会形成一个凹陷,也就是我们所说的弯曲。如果这个运动员在那里一动不动的话,那个弯曲就像被扳弯的钢尺一直紧绷在那里。这种紧绷其实是在储存能量。如果他稍微动一动,跳一下,这个蹦床就会把他弹起来。为什么会被弹起来呢?就是因为之前储存的能量了。这个不仅是把人弹到了空中,而且使得这个蹦床表面从一开始紧绷的静止状态一下子变成反复起伏、上下翻滚的褶皱状态,这个起伏翻滚并传开来的褶皱就可以理解成一个波动的,即产生引力波。”

  蔡一夫说,如果把空间比作蹦床,把黑洞比作蹦床运动员,它在这个大蹦床上通过碰撞、并合等方式蹦了一下,就会把之前储存的巨大能量出来,这种行为会扰动周围的时空,造成起伏和震动,这个能量就会以引力波的形式传递出去。这种起伏的程度越大,波动就越大,引力波也就越强。

  中发生爆炸性的大事件时产生的引力波,才相对容易探测到,比如黑洞并合、星系合并、爆炸等

  100年前,爱因斯坦在预言引力波存在时就曾说:“这些数值是如此微小,它们不会对任何的东西产生显著的作用,没人能够去测量它们。”

  事实的确是这样,虽然无处不在,但它却是我们已知物理世界中最弱的力。尽管它很多行为类似电磁波,但是对它的波动性的探测却比登天还难。

  其实,我们日常生活中就有无数引力波的存在。每天我们的身体都在接受引力波的穿透,因为任何带有质量的物体加速运动都会产生引力波,但是这些日常的引力波都太弱了,完全检验不到,更别提感受到了。

  蔡一夫说:“举个例子,大家知道太阳每天都会照射到地球上,我们从而能感受到阳光。太阳的光线是从太阳那里出发落到我们身上。那么,这个的过程是什么?就是电磁波的传递。也是一样,太阳给我们阳光的同时,也给我们引力辐射,这个过程就是引力波的传递。这个引力作用也是从太阳那里出发到我们身上的,只不过我们看不到和感受不到而已。”

  “可以去探测大强度的引力波。引力波的强度跟的质量和运动剧烈程度有关。质量越大,运动越激烈,产生的引力波就越强。就好比蹦床运动员,他如果重量越大,弹跳得越高,能量得就越多,造成蹦床表面的起伏波动就会越大。所以,也就是中发生爆炸性的大事件时产生的引力波,才相对容易探测到,比如黑洞并合、星系合并、爆炸等。”苏萌说。

  科学家们也同时表示,即使是中这类爆炸性的大事件产生的较强引力波,探测起来也是极其困难的,这对仪器和人的要求都很高。

  为什么这么说?蔡一夫给出解释:“时间发生得越早,距离越远,越会在中期间被红移。红移指的是由于本身的膨胀将所有的波动的波长拉直拉平,这样其波动性就难以被探测到。例如,这次LIGO探测到的引力波,是13亿年以前两个大约30个太阳质量的黑洞并合所产生的引力波,振幅之小,是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探测到真的常不容易,LIGO实验组的科学家们也是在几十年里经历多次挫折,不断调整方案,改进仪器,才最终探测到的。”

  引力波携带着与电磁波截然不同的信息,将为我们新的奥秘,甚至为我们诞生之初的奥妙

  “一旦中某个地方因为碰撞或爆炸产生了引力波,这种时空的‘震荡’会在间以光速。如果离地球足够近,就可以用‘引力波天线’接收这些讯号。就像地球上时不时发生地震一样,只要我们有一个好的地震仪就能探测到这些微乎其微的震荡。”苏萌说。

  苏萌介绍,目前引力波根据其产生源不同,主要分四种,分布在不同频率上。针对不同频率,科学家设计了不同的探测手段。例如,这次LIGO实验组探测到的黑洞引力波就属于高频段,探测手段就是地面数公里的激光装置。

  四种引力波中,原初引力波频率最低,迄今为止还未被观测到,其波长跟整个的尺度差不多大。它不同于运动、演化形成的引力波,而是来自于早期,产生于大爆炸时时空剧烈的“暴胀”过程中。原初引力波的探测需要对大爆炸后微波背景辐射(微波背景辐射是诞生大概38万年后留下来的电磁波)进行观测,一旦被探测到对基础物理学意义更加重大。

  科学家们普遍认为,这次LIGO这一发现是爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”,了爱因斯坦广义相对论的正确性。

  “既然引力波是存在的,基于引力波的科研思可信性就大大提高了。就好像走一条未知的,走到半,有人怀疑不对,结果是对的,那么就可以加快步伐了。”苏萌说。

  苏萌说,从科学上讲,引力波的发现为我们打开了研究的全新窗口,射电、光学、伽马射线等电磁波谱研究都是来自于光子携带的信息,引力波携带着与电磁波截然不同的信息,将为我们新的奥秘,比如黑洞与黑洞并合时的物理过程。如果能探测到大爆炸时发出的原初引力波,那将为我们诞生之初的奥妙。

  “就好比,人类以前以为自己只有一双能够看见的眼睛(电磁波探测),现在发现自己还有一双能够听见的耳朵(引力波探测)。”中科院高能所研究员张新民说。

  引力波的发现对普通人的生活会产生什么影响?科学家们表示,一个新的重大科学发现,总会给人类社会带来无法预估的发展。18世纪描述电磁波的麦克斯韦理论确认的时候,也没有人知道会给人类带来什么,但是现在不管是电视机还是移动电话,都与电磁现象有关。

  “太极计划”和“天琴计划”要去太空探测引力波;“阿里实验计划”的目标是在地面探测原初引力波

  作为“阿里实验计划”的负责人,张新民认为,中国是一个大国,这个领域不能是空白。“我们必须抓紧创新而不是,作出我们应有的贡献。”

  实际上,早在上世纪70年代,中国科学家就开始了引力波研究,但由于种种原因停滞了十几年,造成了人才断层。直到2008年,在当时还在中科院力学所国家微重力实验室工作的胡文瑞院士的推动下,中国的引力波研究才再度。

  张新民介绍,目前中国的引力波研究主要有两个方向,一是中科院刚刚提出的“太极计划”和由中山大学领衔的“天琴计划”,这两个计划都是要去太空探测引力波;二是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”,目标是在地面探测原初引力波。这是两个完全不同的研究方向和科学目标。

  中科院高能物理研究所副研究员李宏说:“原初引力波太微弱,所以要选各种干扰尽量少的区域。比如要具备海拔高、大气稀薄以及水汽含量低等因素。目前,科学家在全球共选出了4个最佳观测点,分别是南极、智利阿塔卡马沙漠、格陵兰岛和我国阿里。”

  据介绍,中科院国家天文台在阿里建设的观测站位于阿里地区狮泉河镇以南约20公里处海拔5100米的山脊,可以说是北半球最好的观测台址。

  “太极计划”的设想之一是在2030年前后发射3颗卫星组成引力波探测星组,用激光方法进行中低频波段引力波的直接探测,目标是观测双黑洞并合和极大质量比并合时产生的引力波辐射,以及其它的引力波辐射过程。“天琴计划”将分四阶段实施,大约需要20年的时间,投资大约150亿元。

  “如果说引力波是一场交响曲,那么LIGO的只是一个序曲,但主乐章还是在空间探测领域,将解答更多重大学术问题。”“太极计划”首席科学家胡文瑞说。