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    百年引力波的前世今生:曾数次影响诺贝尔物理学奖的归属

    发布日期:2016-02-15 浏览次数:
    导读: 1916年,德国《物理学纪事》发表了一篇论文,这给此后100年的时空带来了阵阵涟漪。论文的作者是阿尔伯特·爱因斯坦,题目是《广义相对论基础》。 ...

    1916年,德国《物理学纪事》发表了一篇论文,这给此后100年的时空带来了阵阵涟漪。论文的作者是阿尔伯特·爱因斯坦,题目是《广义相对论基础》。

    100年之后,美国东部时间2016年2月11日,美国国家科学基金会(NSF)与来自加州理工学院、麻省理工学院以及科学合作组织“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的科学家共同宣布:LIGO于去年9月14日首次探测到引力波,证实了爱因斯坦100年前所做的预测,弥补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图。

    100年来,引力波是否存在始终困扰着物理学界,甚至数次影响到诺贝尔物理学奖的归属。

    姗姗来迟的引力波是什么?

    广义相对论是爱因斯坦最引以为傲的成就之一。有一种说法是,爱因斯坦曾经这样说过:“如果我不发现狭义相对论,5年之内就会有人发现;但如果我不发现广义相对论,50年之内都不会有人发现。”

    但遗憾的是,虽然爱因斯坦在上世纪20年代多次因相对论而被提名诺贝尔奖,但由于当时对相对论的质疑同样很多,且缺乏足够多的实验验证,谨慎的诺贝尔奖组委会无法以此为理由为爱因斯坦颁奖。到了1921年,因广义相对论而名声日隆的爱因斯坦提名的呼声太高,无人可以与之媲美,但诺贝尔奖组委会仍无法做出为相对论颁奖的决定,因而,1921年的诺贝尔物理学奖甚至空缺了一年。而爱因斯坦最终在1922年年末获得补发的1921年诺贝尔物理学奖时,选择的理由是爱因斯坦最可靠的一项成就——在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》这篇论文中,用光量子假说对光电效应进行的解释。(上述论文发表于1905年。同一年,爱因斯坦还有数篇论文问世,其中就有如今最广为人知的质能方程:E=mc^2,以及狭义相对论。有人评价,单以这一年的成就,爱因斯坦就足以斩获3个诺贝尔奖。)

    如今,引力波被发现,再次证明了广义相对论的重要性。那么,引力波到底是什么?为什么探测到它需要百年努力?

    事实上,广义相对论的很多推论是人们的直觉无法理解的。其中一项就是,广义相对论中,引力被归咎于时空的弯曲。它的意思是,我们平时看到的空间貌似是平直的,但真实的情况中,却是像哈哈镜里一样扭曲的。这种扭曲是物质造成的,质量越大,扭曲就越大。不过,身处时空当中的观测者会随着时空一起扭曲,同时扭曲程度也太小,因而人类无法直观感觉到这种扭曲。但我们看到的平面,并不一定是物理意义上的“平面”。

    我们可以把宇宙想象成一张蹦床,如果没有任何扰动,它是平坦的。但有质量的物体出现时,比如一个鸡蛋,来游乐场的小孩子,或者是地球这样的庞然大物,它就会变得弯曲。广义相对论提出,引力的本质,正是这种弯曲所带来的。(物体运动时会寻求最短的路径,也就是一般意义上的“无外力情况下保持直线运动”。但大质量物体周围,由于空间的扭曲,我们看到的“直线”其实并不一定是最短路径,因而,物体会改变运动路径,这在观测者看来,就像有力量使其偏离直线,这种力量就是引力。)

    如果只是弯曲还好。但如果这个大质量物体发生变化——鸡蛋被吃了,小孩子蹦走了,或者地球爆炸了——蹦床就会开始震动,这种震动就是引力波。当然,跟着一起震动的我们也感觉不到它在震动。

    对于不喜欢睡眠被地震打扰的人们来说,感受不到宇宙的震动是一件幸福的事。但物理学家可不这么想,他们急需感觉到震动,来证明自己确实读懂了宇宙。不过,100年来,虽然对水星近日点运动的观测等多项证据证明了广义相对论的准确性,但广义相对论最直接的推论——引力波始终没有被观测到,这一直是一大缺憾。有资料记载,著名量子论专家费曼在参加1962年于华沙举行的广义相对论研讨会时,忍不住在给妻子的信中写下了如下的感想:“我没有从会上获得任何东西。我什么也没有学到。因为没有实验,这是一个没有活力的领域,几乎没有一个顶尖的人物来做工作。”

    事实上,上世纪60年代,马里兰大学的物理学家韦伯(JosephWeber)曾宣称他探测到了引力波,但因后来的重复实验一无所获,这一发现并未得到认可。从那时起,对引力波的探索从未停止过。

    2016年,LIGO的发现,改变了百年来引力波探索一无所获的历史。难怪物理学家要为之痛哭流涕。

    执着的美国高校和慷慨的NSF

    “它是辛苦的、严谨的和缓慢的,又是震撼性的、革命性的和催化性的。”

    在引力波发现后,麻省理工学院校长L.RafaelReif这样评价基础科学研究的价值。事实也是如此,引力波被预言到被发现,花去了100年时间,单是LIGO的科研人员就用去了三十多年才探测到了短短0.2秒的信号。

    据媒体报道,上世纪80年代,麻省理工学院的雷纳·韦斯(RainerWeiss)教授想到了用激光的干涉来测量引力波的方法。加州理工学院的物理学教授罗纳德·德雷弗(RonaldDrever)同样提出了这一想法。在加州理工学院的费曼理论物理教授基普·索恩(KipThorne)参与后,加州理工和麻省理工开展合作,主导了LIGO的建设。此后,LIGO成为了美国自然科学基金会资助力度最大的项目之一。

    LIGO的原理是什么?假设我们有两个短跑运动员,他们在任何情况下跑步速度都一样,那么,如果跑道因为引力波扰动,长度发生了变化——就像蹦床表面会因受力,在一个方向上拉伸一样,他们从两条原本长度相同的跑道上跑回来的时间就会发生些微的差异。我们就知道,空间确实在震动。在LIGO中,科学家用同源的激光来充当短跑运动员的角色,以试图发现不同方向上空间的变化。

    然而,要观测的空间的变化并不是那么简单,震动的幅度太小,同时还受到外界环境的干扰,使得观测到有价值的数据非常困难。LIGO建成后,经过数次升级,不断提升灵敏度。在LIGO最终发表的这次观测结果中,在十几亿光年外两个分别为29倍太阳质量和36倍太阳质量的超恒星级黑洞合并,仅仅带来了0.2秒的信号。而LIGO位于路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德两地同时观测到这一信号后,经过反复验证,在时隔4个月后,才发表这一结果。

    为这0.2秒的信号,不仅无数科研人员付出了大量的时间,NSF也为此付出了大把金钱。有资料记载,1999年LIGO建成时,耗资已经超过3亿美元;而此后LIGO还经历过多次升级改造,最近的一次改造就花去约20亿美元。

    NSF的慷慨投资所获得的回报,再次证明了它是世界上最成功的国家科技管理机构。这一美国于1950年设立的联邦机构自设立之时起,就慷慨而审慎地为科研领域投资。

    值得一提的是,NSF的预算需要经过国会审议,因而,NSF很重要的一项工作,就是在将资助计划向公众公开的同时,将有价值的相关信息通过网络公布,从而让公众理解其投资的意义。这种运作方式使得其能够更加顺利地通过国会的苛刻审核。据报道,美国总统奥巴马于2015年2月向国会提出了总额为1460亿美元的2016财年联邦研发预算请求,较2015年提升了80亿美元,其中有77亿美元是投向NSF的。

    引力波的误读和预期

    引力波的发现是如此扣人心弦,这使得它迅速在社交媒体上传播开来。而对于这一花费了数十亿美元、数十年时间的发现,大众难免有更多的期望。

    然而,在社交媒体的传播过程中,引力波也难免遭到误读。

    例如,有一种说法就是,引力波可以带来超光速通信的可能。更有自媒体如是评价引力波“它带来了时空旅行的可能”。

    然而,物理学家已经指出,引力波同样是以光速传播的。因而,它并不能直接带来“超光速通信”或是“时空旅行”。

    听到这样的回答,很多人或许会大失所望,有些人甚至会开始质疑花费这么多金钱和精力去探测引力波是否值得。

    对此,LIGO科学合作组织成员,德国马克斯-普朗克引力物理研究所、清华大学博士后胡一鸣的回答或许可以做一个注解。据《科技日报》报道,胡一鸣被问及引力波的现实意义时,是这样回答的:“如果要问及它的现实意义,恐怕很少有人能回答得上来。正如爱因斯坦当年也无法准确地预言,广义相对论能给人带来什么用处。但实际上,我们手机里使用的卫星导航,如果缺了广义相对论的修正,根本就无法正常使用。有故事说,一名收税官在观看法拉第的电动机工作表演后,很轻蔑地问道:‘这样的东西会有什么用呢?’法拉第告诉那名收税官:‘先生,我想在将来的某一天,你一定会向它收税的。’在面对科学突破时,特别是这种基础领域的突破时,我们不应该以现实应用评价它的价值。”

    对物理学家来说,这0.2秒的轻轻的一震,比《美人鱼》、《星球大战》乃至人类史上所有的电影加起来都好看,因为它蕴含的剧情,是宇宙诞生的画面。我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着,在时空的开始时,这张大蹦床有一次最剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动——它是否存在,有多大规模,诸如此类。

    不过,目前看来,引力波能够真正发挥作用的日子还很远。有人甚至怀疑在未来的五十年内人类能否再次探测到引力波。不过,日前,由于LIGO的发现中国的“天琴计划”也引起了关注,这就是此次发现带来的影响之一。可想而知,未来一段时间内,全球科学界在引力波领域的科研力度和投资力度都有望增加,这也许会让引力波与普通人的生活更快地联系在一起。

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