21 引力波
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试听18021 引力波

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首先,抛一个“我思故我在”的哲学话题。我们平时所谓“看得见”,本质上是这个东西发光或反光,光线进入眼睛后,产生一系列生物反应,最终在大脑产生视觉信号,这就是“看得见”。所谓“摸得着”,那是手指的分子与这个东西的分子足够近,分子间产生排斥力,使神经系统产生压力信号,让我们认为摸到了这个东西,实际上分子之间是不接触的。

我们看到的只是光,摸到的只是分子排斥力,而这个东西到底是否存在,严格的说,是不确定的。更刁钻一点,如果有个技术能模拟各种各样场景的大脑信号,那这个大脑是分不清幻觉和现实的。也许世界根本就不存在,是你的大脑信号一直在欺骗你。

这个滥话题有点扯蛋,科幻电影翻来覆去拍过好几遍,但换个场景,就有点意思了。

引力波的价值

人类观察宇宙,主要通过测量各种射线、紫外红外、可见光等电磁波,归根结底,还停留在“看得见”这个层面,而且是依靠“电磁波”才看得见。万一有个东西不辐射电磁波,也不存在电磁相互作用,那我们就傻眼了!对只能通过电磁波观察宇宙的地球人来说,这就相当于隐身了。

有人会说,这种没头没脑的假设,是毫无意义的钻牛角尖!众所周知,任何有温度的东西都有辐射,而任何东西的温度又不可能达到绝对零度,也就是说,任何东西都有辐射,谁能说出一样没辐射的东西?有吗?有吗!

别急,还真有,这就是暗物质。虽然暗物质尚未证实,但绝不是空穴来风,不过这货今天是来跑龙套的,再多的镜头就不给了,过。

暗物质在与人类玩躲猫猫的过程中始终游刃有余,而宇宙中,又有多少像暗物质那样未被发现的东西?人类科学发展至今,急需第二件工具,引力波正是不二之选!(好吧,其实除了引力波,我们也没有其他选项。)

引力波的预言

牛爷发现万有引力后,大家普遍认为引力的传播是不需要时间的,比如,太阳突然出现,地球就能瞬间感受到引力,太阳突然消失,引力也就跟着瞬间消失了。这和我们普通人的理解差不多。

但这样的话,相对论的很多公式就对不上了,任性的爱因斯坦既然能把空间掰弯,把时间拖慢,把任何与相对论矛盾的东西都干掉,引力自然也不例外。

按照广义相对论洛伦兹不变性的推导,爱因斯坦预言,引力以光速传播。比如,太阳突然出现,它的引力是以光速向外传播,地球将在8分钟后感受到引力,太阳突然消失,地球也是8分钟后感受到引力的消失。这就是引力波的概念。

我们按“相对论”的高逼格,重新表述:质量发生变化,导致时空结构改变,时空结构的变化将以“波”的形式传播。

这个想法倒是蛮有创意的,但也没什么神奇之处吧?如果我们拿引力波和电磁波做对比,就会发现很神奇的事情。电磁波是极易被干扰的,雷达波遇到金属网就懵圈了,可见光,拿个镜子就能反射,而宇宙短波射线,碰到大气层就认怂。

而引力,仿佛亘古不变,不可屏蔽,不会转向,执着的以恒定光速向外传播,无论你在太阳和地球之间干了什么事情,丝毫不会影响太阳对地球的引力,这才是真爱啊!

于是,脑洞大开的物理学家提出,引力可能是在更高维度传播的,不受三维空间的束缚。你的小脑袋也不用去想象多维空间的样子,这是数学模型,身处三维世界的人类大脑是无法形成图案的。

说到这,有很多大仙开始算命了:宇宙不过是人家的一粒原子,空间有二百五十维……哥们儿,物理学家的理论都有严密的数学做背书,您可别一拍脑袋出个理论,再一拍大腿又出个预言。

玄学和科学的差别就是数学。没有数学的物理模型,只能算童话故事。

引力波的测量

所以,非常抱歉,你得重新认识引力了。

电磁辐射消耗能量,所以物体散发电磁波会导致自身能量不断下降,因为能量守恒嘛。同理,引力也在对外传播,那会不会有“引力辐射”,也导致物体能量的减少?物理学家设计了一个异常宏大的实验方案。

首先是间接证据:宇宙引力实验室

两颗质量不变的星星,相互绕着旋转,按照经典的理解,轨道半径是不会有任何变化的。

但按照相对论引力波的理解,两颗旋转的星星,忽远忽近,使得引力忽大忽小,并以光速对外传播,这种“引力辐射”使双星的能量不断降低,进而导致双星运行轨道变短。

实验原理虽然简单,但即便拿2个地球那么大的物体做实验,数据仍然小到微不可察。幸运的是,宇宙早就为我们准备了一个完美的“引力实验室”,1974年阿雷西博射电望远镜发现了一对脉冲双星,编号PSR1913+16,为了强调这个“天然实验室”的重要意义,天文学家专门把“脉冲双星”这个名称保留给这对星星。下面开始试验了。

某天,阿雷西博望远镜接收到了一个来自宇宙的微弱脉冲信号,意味着发现了一颗脉冲星。这其实没啥好得瑟的,但天文学家很快发现了异常,通常脉冲星频率极其稳定,精度堪比原子钟,但这颗脉冲星的脉冲周期前后偏差却有十亿分之58秒。很明显,如果不是外星人的信号,那一定是有一颗伴星影响了电磁波传送。

人类已经有能力把脉冲星的频率测量的无比精确,仅仅凭借这一个参数,天文学家犹如福尔摩斯一般,把这对脉冲双星的家底算了个底朝天:自转周期0.059029995271秒,公转周期27906.98163秒,还有诸如天体质量,轨道半径等等参数。

按照引力波的预言,这对脉冲双星因为引力辐射损失能量,应该会导致公转周期每年减少百万分之75秒,并在3亿年后合并。天真的天文学家持续进行了多年的观测,最终,根据脉冲变化规律计算得:公转周期每年减少百万分之76±2秒,半长轴每年缩短3.5米,与相对论预言极其吻合!啥也不说了,先给诺贝尔奖!

这是首次对广义相对论最精确、最全面的检验!这下真是炸了锅了,引力竟是这般模样。

脉冲双星提供了有力的间接证据,于是大伙都指望直接测量引力波。

于是直接测量的激光干涉引力波天文台LIGO就来了

说起来,引力波探测的原理异常简单。前后放两块板,如果引力是瞬间传播的,那么这两块板会同时感受到引力,同时产生轻微的位移,两者间距不会有变化。如果引力是光速传播的,那么前面的板先感受到引力,先产生位移,此时后面的板尚未感受到引力,所以两块板的间距就会发生变化。

直白点说,如果好端端放着的两块板,间距莫名其妙发生了一下变化,我们就认为探测到了引力波。你还别嫌弃,从原理上讲,人类就这么点能耐。

说起来简单,但引力波引起的移动,可能只有千分之一质子大小的距离。要测量这种尺度的位移,还是得费不少功夫。

先把一束激光分成2束,按相互垂直的方向发射出去,在各自顶端放一个反射镜。每个管道长4km,最后两束激光形成干涉条纹。当引力波经过时,两个反射镜会先后受到干扰,先后产生位移,间距也就变了一下,干涉条纹就会发生变化。除非这个挨千刀的引力波刚好从45度角过来。

虽然引力波探测的原理如此简单,但技术层面异常复杂,正如贵州FAST,大有大的难处。为了保证反射镜的抖动是引力波造成的,就要做很多防震措施,不然跺一跺脚,镜片就抖个不停。

为了最大限度的提高了信号的可信度,在远处再造一个一模一样的装置,两台引力波天文台分别位于美帝的两头,相距3000km,所以你经常能看到两张背景不同的引力波天文台照片。

为什么要装2台呢?如果是跺脚产生的振动,不会给两台装置同时留下一模一样的信号。实际上,地球上的振动,都不可能在相距3000km的距离上同时产生一模一样的、如此微小的振动信号。而来自十几亿光年之外的引力波,哪怕是相距3000万km,引力场也是非常均匀的,这个很好理解。

美帝花3.6亿美刀做完这一切,守株待兔在那边等了11年,最终,一无所获。于是,科学家又忽悠美帝再烧2亿升级系统,又苦苦等了5年,直到那个巨大巨大巨大的引力波撩动了反射镜,使镜子整整移动了0.000 000 000 000 000 001(17个0)米,整个过程持续了整整0.25秒。最后得到了如此美轮美奂的一张图!

好吧,这其实就是一张数据图表,基础科学实际上就是这么枯燥。这图分别是两台引力波天文台上测试到的振动信号,两个信号非常吻合,可以判断是宇宙引力波,而不是研发人员打喷嚏或者地球上的其他振动。

这个引力波来自十几亿光年之外的两个黑洞相撞,两颗黑洞的初始质量分别为14.2颗太阳和7.5颗太阳,合并成了一颗20.8倍太阳质量的黑洞,亏损的0.9颗太阳质量以引力波的形式释放到宇宙空间。如此巨大的能量,到了地球仅仅撩动了反射镜那么一点点距离。


基于这种原理建造的引力波天文台,还有意呆利臂长3千米的VIRGO,德国600米的GEO,脚盆正在升级的3千米的KAGRA,连造型都一模一样,难度只在技术细节上,枯燥的很,不多说。

中国对引力波的探测曾经中断十几年,当前有个“天琴计划”,大意是,地球上腾挪不开,用月球啊、卫星啊当反射镜。说白了,就是增加两个反射镜的距离,提高测量精度。欧萌已经开始用卫星在太空搭一个100万公里长的探测器,道理都差不多。 

地球末日

从实用主义的角度出发,这些到底有什么用?送各位一个无从反驳的理由。

有一种观点认为,注意,只是某一些人的观点,之所以找不到外星人,是因为超新星爆炸。大恒星演化到后期很大可能发生超新星爆炸。

超新星爆炸伴随强大的伽马射线,伽马射线是宇宙间最强的能量表达形式,可以清空周围一片星系上的所有生命,包括细菌。这种观点认为,宇宙中90%的核心区域因为有太多恒星,会不定期发生超新星爆炸,而这里的生命也就不定期被清洗干净。幸运的是,太阳系属于宇宙的角落地带,恒星少,遭难的可能性也就小了。

来点劲爆的消息,天文学家发现,距离地球大约8000光年,代号为WR104的巨大恒星,在今后的50万年时间里,随时都有可能发生超新星爆炸,注意,不是50万年后,而且50万年内,而它的伽马射线暴正巧对着太阳系,不偏不倚。

从这个角度说,人类文明存亡在旦夕之间!以目前的科技水平看,近距离的伽马暴,人类几无招架之力。

目前引力波毫无实际用途,但仅仅对引力的重新认识,就足够掀起科学界的滔天巨浪。

19世纪末,大家以为物理学已经完工了,只剩下“两朵乌云”,结果两朵乌云分别诞生了相对论和量子力学,让物理学家又忙活到现在。

而现在,大家又把物理学收拾得规规整整,只剩下引力无法统一,说不定,这个引力又会为人类掀开一个全新的世界。

引力可能就是目前为止我们这种三维空间生物超越时空的唯一希望了。



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