100年前,爱因斯坦曾预言会产生引力波?

2017-10-16 19:59:18 来源: 中国科技网-科技日报 作者: 华凌

倾听宇宙深处的颤动

中国科技网-科技日报记者 华凌

“人类此前的天文学发现都好似‘眼睛’,而引力波的发现意味着人类长了‘耳朵’。”这是美国哥伦比亚大学物理学教授绍博尔齐·马尔卡,在欣闻激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到宇宙引力波这个爆炸性消息时所感。

早在1915年,爱因斯坦提出广义相对论,并在次年6月发表的新论文中预言,发生黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等一些强引力场事件时会产生引力波。那么,究竟什么是引力波,它又是怎么在宇宙中传送呢?

有别万有引力

谈及引力波,首次刷新了我们对“引力”的理解和认知。

在英国剑桥大学大门口左边空荡的草坪上,矗立着一棵苹果树,这是为了纪念17世纪末物理学家牛顿在树下被落下的苹果砸头时,发现了伟大的万有引力。这个引力的精髓是由物体质量的存在所致。这在近两百多年里被奉为宇宙间的绝对真理。直到爱因斯坦分别于1905年和1915年发表了狭义相对论和广义相对论,对引力提出了一种完全颠覆的看法。

爱因斯坦认为,引力是因质量对于时空造成变形所致,如同石头丢进水里产生的波纹一样,而非质量之间的吸引。

打个比喻,如果将时空看成一张大橡胶膜,用小球代替天体,被放在橡胶膜上时,球的质量会把橡胶膜往下压。这时,如果在旁边再放一颗球,两颗球分别造成的“时空弯曲”会让它们逐渐滚向对方。当它们互相加速运动时,产生的“涟漪”就是引力波。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件都会形成强大的引力波。

由此,在物理学上,引力波被赋予如诗般的名字——宇宙中泛起的“时空涟漪”。

感受时空之颤

引力波一产生,便乘兴而来,似乎什么都阻挡不住它的步伐,而这种“率性”也是一把双刃剑。

引力波具有特别棒的优点,与宇宙中物质的相互作用是非常微弱的,再厚的墙壁在其面前都如同透明一般,因此它能够将包含着源中心区域最核心的信息传播至很远的宇宙空间,可以让我们以崭新的视角回望宇宙大爆炸最初的瞬间,检验宇宙大爆炸理论正确与否。它是了解宇宙形成的最好工具。

然而,现代物理学认为,引力波是一种与电磁波不同的辐射,无法通过电磁辐射直接观测。因此,对其踪迹的“捕获”极为困难。

爱因斯坦在预言引力波存在时,发现自己的方程有一组解与电磁波的性质类似,以光速传播。但在论文中指出,因为这个引力波辐射的能量很少,在所有能想得到的情况下,其都可以被忽略。

也就是说,通常引力波并不容易产生,像地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进,发出的引力波功率仅为200瓦,还不如家用电饭煲的功率大。只有宇宙深处大质量的天体发生加速、碰撞和合并等剧烈活动才可以形成强大的引力波,对所在的时空产生扰动,时空自身的波动也会向远处传播,但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远,传播到地球时变得非常微弱。

一旦引力波为地球上的我们所感知,从某种角度而言,那将是人类在感受时空本身的颤动!

一个世纪的求索

探测到引力波并非易事。整整一个世纪,众里寻他千百度,科学家始终未曾直接观测到它。

20世纪60年代末期,美国马里兰大学物理学家J·韦伯宣布通过共振型引力波探测器测量到引力波,引起轰动。但可惜其实验无人可重复,理论上也很难论证。他的工作激励了很多科学家加入到引力波理论研究和实验探测的行列。

1974年,就在引力波实验逐渐发展时,美国物理学家约瑟夫·泰勒和天文学家拉塞尔·赫尔斯利用射电望远镜发现了一对脉冲双星,观测其以引力波形式损失能量的数值与广义相对论所预言的吻合,由此间接证明了引力波的存在。他们也因此于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

2014年,由加州理工、哈佛大学等几所大学的研究人员组成的BICEP2团队曾宣称利用南极望远镜找到了原初引力波,将直接验证暴胀宇宙模型,遗憾的是后来证实那只是银河系尘埃影响的结果。

日新月异的科技似乎发展到了一个节点,终于为我们拨开迷雾,在美国东部时间2015年9月14日5时51分,科研人员利用LIGO首次“听”到,来自距离地球13亿光年之外的一场引力风暴,两个巨大质量黑洞碰撞最后并合瞬间对时空的扰动,即引力波。

实际上,尽管观测宇宙的望远镜越来越灵敏,让我们看到了很多图景,但对宇宙的认识一直处于一片寂静之中。如今,引力波的发现犹如给人类添了个“顺风耳”,使人类从此可以倾听宇宙深处之声。

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