• 青海万人在线登录,百年引力波的前世今生
  • 2020-01-11 18:58:50   来源:匿名   热度:4262

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    青海万人在线登录,约瑟夫·韦伯和他设计的共振棒探测器。

    10月16日22时,激光干涉引力波天文台(ligo)和处女座引力波探测器合作组织联合召开发布会,宣布再次探测到引力波。早在1915年,爱因斯坦提出那么广义相对论的最终形式,而作为广义相对论重要预言的引力波,在过去的整整一个世纪里究竟经历了怎样的故事呢?

    不断被质疑的引力波

    经历了一个月的理论修正后,在1915年11月25日,爱因斯坦向普鲁士科学院报告了他的广义相对论的最终形式,其中新的公式可以用来很好地解释水星近日点进动和光线的引力偏折,自此广义相对论最终被建立了起来。在之后的那一年里,处在兴奋中的爱因斯坦再接再厉,在引入线性、低速等近似之后,从广义相对论的场方程推导出了由源的质量四极矩随时间的变化引起的引力辐射项。并且,这种引力辐射携带能量。

    这种后来被称为引力波的引力辐射项被提出后,引起了很多物理学家的关注。但是引力波到底是一种物理实在还是仅仅是数学上的形式,大家都不清楚。在这方面第一个发表文章表态的是爱丁顿爵士,1919年他在西非普林西比岛观测日全食,证实了广义相对论对光线偏折的预言。1922年,爱丁顿爵士发表文章表示:引力波的本质只是数学坐标的波动,并没有实际的物理意义。简单地说,引力波并不真实存在。

    1936年6月1日,美国物理学会《物理评论》编辑部收到一封投稿。投稿是爱因斯坦写的关于引力波的论文。文章中,爱因斯坦认为所谓引力波只是一种数学形式而已,这种波会因引力坍缩而不复存在。他推翻了自己1916年的结论,认为引力波并不是广义相对论的预言,也并不存在!

    虽然此时的爱因斯坦已经名满天下,但是秉着严谨的科学精神,《物理评论》认为对于绝对权威爱因斯坦的稿件也要送审。一个多月后,审稿人霍华德·罗伯逊将审稿意见返回,他认为爱因斯坦的稿件有严重问题,必须大量修改。

    由于审稿人是匿名的,爱因斯坦并不知道审稿人是谁。由于此次事件,爱因斯坦被激怒了,导致爱因斯坦和《物理评论》结下梁子,从此之后再也没有给该期刊投过稿。因为爱因斯坦的名气,后来这篇文章还是一字不改地在《本富兰克林学院学报》上发表。

    然而这戏剧性的事件并没有结束,在之后的两年中,爱因斯坦渐渐发现自己之前的文章里面还是有问题的。并在1936年11月13日,重新给《本富兰克林学院学报》编辑写信说,之前文章是有错误的,文章需要根本性的修改。他修改后的文章推翻了上篇文章的结论,认为引力波还是存在的。但是由于其过于微弱,我们不能探测到。直到爱因斯坦1955年逝世,对于引力波到底是不是真实存在,在物理学界还是有争论,这个问题也还是没有被彻底解决。

    两年后的1957年,在北加州的教堂山举行了一场以广义相对论为主题的会议。在会议后期,物理学家理查德·费曼提出了一个“黏珠”思想实验。费曼的论证是这样的:有两颗珠子穿在一根柱子上,并且可以自由移动,垂直于柱子方向如果有引力波经过,将会产生相对于柱子中心的潮汐力。珠子在潮汐力的作用下会相对柱子运动,如果珠子和柱子间有黏性(有摩擦),在运动时候就会产生热。热就是能量,能量不可能凭空产生,它的源头只能是引力波,所以引力波不是一个数学游戏,它是携带能量的,是真实存在的!

    “黏珠”思想实验提出之后,物理界终于普遍达成共识,认为引力波确实是物理实在。那么接下来的问题是,我们如何才能找到它呢?

    实验尝试和间接证据

    引力波虽然携带物理能量,但是它的物理效应真的微乎其微。尽管如此,自教堂山会议之后的60年里,有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了大量努力。其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据——脉冲双星 psrb1913+16。1974年,美国物理学家约瑟夫·泰勒和罗素·赫尔斯利用在波多黎各的射电望远镜,发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。非常幸运,由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星,利用它的精确的周期性射电脉冲信号,人们可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时它们轨道的长半轴以及周期。根据广义相对论,当两个致密星体近距离彼此绕旋时,该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量,所以系统总能量会越来越少,轨道半径和周期也会变短。

    泰勒和他的同行在之后的几十年时间里对psrb1913+16做了持续观测,观测结果令人无比振奋!双星系统无比精确地按广义相对论所预测的那样因为引力辐射而慢慢靠近:周期每年减少76.5微秒,半长轴每年缩短3.5米。广义相对论甚至还可以预言这个双星系统将在3亿年后合并。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据,是对广义相对论引力理论的一项重要验证。

    在实验方面,第一个对直接探测引力波做伟大尝试的人是美国马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯。教堂山会议之后的两三年里,韦伯认为通过实验手段探测引力波并不是没有可能,他把自己的想法付诸于行动,全身心投入在引力波探测方案的设计中。最终,韦伯选择了一根长2米、直径1米、重约1吨的圆柱形铝棒,其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器,被业内称为共振棒探测器。

    虽然共振棒探测器没能最后找到引力波,但是韦伯开创了引力波实验科学的先河。

    重大发现到来时

    后来的ligo的主要创始人美国物理学家索恩,在1976年的时候对共振棒探测器还抱有信心,他和一些物理学家深信引力波的探测可能会变革我们对宇宙的认识。在1976年11月的一个晚上,索恩独自一人漫步在美国小城帕萨迪纳的街头,内心充满了热情和希望。忽然一个念头闪过他的心头:应该建议加州理工学院建设一个引力波探测计划。之后的几个月里,经过一系列风险评估和成果分析,他成功说服了加州理工的物理学和天文学系组建一个团队来建造引力波探测器。但是学校领导要求索恩必须把这个项目做大做强,并且找到一位非常优秀的实验物理学家来担任这个项目的领导。经多方推荐,最后格拉斯哥大学的罗纳德·德雷维尔成了索恩的合作伙伴。

    到了20世纪90年代,世界各地的其他一些大型激光干涉仪引力波探测器也开始筹建,引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。只是这些探测器在2002~2011年期间共同进行观测,但并未探测到引力波。

    直到2016年2月11日,ligo科学合作组织(lsc)向全世界宣布:探测到置信度高达5.1倍标准差的引力波事件。探测引力波的消息发布后,仿佛一夜之间,“引力波”成为了世界各地人们谈论的热点话题。

    爱因斯坦的广义相对论自从100年前提出以来,历经了重重考验。作为广义相对论预言的引力波,在如幽灵般虚无缥缈了一个世纪后,终于被我们发现!(来源|百科知识》 作者|明镜)


 

 







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