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浙江出版《星际穿越》,听诺奖得主讲述引力波的秘密

发布时间: 2017-10-04 07:02:54 来源: 浙江在线 记者 李月红

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  浙江在线10月3日讯(浙江在线记者 李月红)2017年诺贝尔物理学奖揭晓,获奖者是Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne(基普·索恩),以奖励他们在引力波的研究和发现上做出的开拓式贡献。

  少有人知的是,由好莱坞著名导演克里斯托弗·诺兰执导的科幻电影《星际穿越》,在全世界上映后迅速成为一部“现象级”电影,引发了人们探讨科幻电影,乃至理论物理学的热潮。这部影片的科学顾问正是加州理工学院的著名天体物理学家基普·索恩。

  基普·索恩不仅热衷于电影科普,他还特地写了一本书《<星际穿越>中的科学》(The Science of Interstellar)讲述电影中的各种场景,以及其中涉及的科学原理。本书由湛庐文化出品、浙江人民出版社出版,经授权,透过此书我们一起来听听基普·索恩解读LIGO项目的建立,探索引力波背后的科学原理,以及他乐享宇宙弯曲一面的梦想。

  LIGO,为倾听引力波而生

  我从事的物理学研究,是关于在遥远宇宙中的弯曲时空——我自己喜欢称之为“宇宙弯曲的一面”。也就是研究弯曲的时空,比如黑洞、虫洞以及奇点引发的种种现象。我感兴趣的课题是关于由弯曲的时空引发的“宇宙风暴”——海洋风暴的宇宙版本。

  我们的研究并不仅局限于理论方面。风暴化的弯曲时空会产生引力波(时空中的涟漪),而引力波又会将风暴的信息带来地球。早在1983年,我、麻省理工学院的雷纳·威斯和加州理工学院的罗纳德·德雷弗就联合建立了LIGO。全称是:The Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory,即激光干涉引力波天文台。LIGO的主要任务是寻找来自遥远宇宙的空间波动。这些空间波动被称为“引力波”,在黑洞相互碰撞、黑洞的潮汐力摧毁中子星和宇宙诞生极早期等物理阶段产生,当然还有其他物理机制能产生引力波。

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  图1 位于华盛顿州汉福德的引力波探测阵列LIGO的航拍照片

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  图2 LIGO的控制室,工作人员正在控制这些仪器,并监视信号

  LIGO现在已经分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿建成了两个引力波探测装置,将来还会在印度设置第三个。意大利、法国和荷兰的科学家们在比萨附近也建立了类似的干涉仪装置,而日本的物理学家们正在山中的隧道里建立一个引力波探测装置。这些探测器会协同合作,最终成为一个在世界范围内探测引力波的巨型网络,更好地帮助人类通过研究引力波去探索宇宙。 

  现在,LIGO是一个大型国际合作项目,大约有来自17个国家的900位科学家为其工作,总部设在加州理工学院。考虑到这个项目对于我们在理解宇宙方面的巨大的潜在回报,LIGO主要通过美国国家自然科学基金由纳税人的税款资助。 

  引力波以及探测引力波的原理

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  图3 互相逆时针高速旋转的双黑洞系统产生的拉伸线,由利亚·哈洛伦绘制

  图3是由一位艺术家创作的关于黑洞拉伸线的概念图,展现了来自互相逆时针旋转然后碰撞的双黑洞系统的拉伸线。从两个黑洞端向外延伸出去的拉伸线会对所有与其相交的物体产生拉扯作用。而且,从黑洞碰撞区域延伸出来的拉伸线会对所有与其相交的物体产生挤压作用。因为双黑洞系统中的成员会相互快速绕转,所以周围的拉伸线会被拉扯着与黑洞一起运动,向外且向后(逆时针)地扩散出去,就像旋转的洒水器喷出的水那样。

  当两个黑洞最终合并成单个并且质量更重的黑洞后,就会产生一个变形的黑洞,它会沿着逆时针方向自转,同时其自身的拉伸线会被拉着随其一起一圈又一圈地转动。拉伸线会像旋转的洒水器洒出的水一样向外扩散,最终,黑洞的拉伸线会变成像图4所显示的复杂形式。在图4中,红线代表拉扯效应,蓝线代表挤压效应。

  当拉伸线向外传播穿过一个离黑洞很远并且处于静止状态的人的身体时,他的身体会感受到一会儿被拉扯、一会儿被挤压的震荡效果。在这个时候,拉伸线其实已经变成了引力波。在图片平面上任意一处有深蓝色拉伸线(强挤压效果)存在的地方,深红色拉伸线(强拉伸效果)将是垂直于图片的方向向外的,同样,深红色潮汐线所经过的地方,深蓝色潮汐线也是垂直于图片的方向向外的。随着这种波动向外传播,黑洞的形变会逐渐变弱,波强也会随之降低。

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  图4 变形旋转黑洞的拉伸线示意图,由罗布·欧文绘制

  当引力波到达地球的时候,它们的形式会如图9上方图中所显示的样子。引力波沿着一个水平方向拉伸,沿着另外一个垂直的方向压缩。当引力波信号继续穿过图9下方所示的探测器时,拉伸和挤压两种效应就会循环震荡(从红色的由右向左变到蓝色的由右向左,再变回红色的由右向左,如此反复)。 

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  图5 LIGO探测器上引力波的成像示意图 

  这个探测器由四面大镜子组成(每面镜子重40千克,直径为34厘米),分别用支架支撑在两条相互垂直的探测臂之上。引力波的拉伸线在拉扯一条探测臂的同时挤压另一条探测臂,然后再挤压刚才拉伸的那条探测臂,如此循环往复。我们用激光干涉技术监测各面镜子之间振荡式的距离变化,观测激光干涉现象的变化,这样就能观测到引力波了。 

  探索宇宙弯曲的那一面 

  到目前为止,人类对时空弯曲还不甚了解,几乎没有相关的实验和观测数据。这就是为什么这次观测到引力波非常重要的原因:引力波源自于空间的弯曲,所以它们是探索宇宙弯曲的理想工具。 

  假如你只看到过风平浪静的海面,那你是无法了解狂风暴雨时波涛汹涌乃至巨浪滔天的大海的。在我提供科学指导的电影《星际穿越》中,展现的时空弯曲是平静的,就好像海上平静的日子。但是,如果像这次LIGO观测到的两个旋转的黑洞出现碰撞,它们就会让时空漩涡变得狂暴起来。时间的流逝急剧变慢,又突然地加速,并持续疯狂地震荡。这也会让空间的几何发生疯狂的变化。 

  这类似于我们今天对时空弯曲的理解和认识。我们几乎不知道任何有关“风暴”之中的弯曲空间和弯曲时间的性质(这里的风暴是指剧烈的时空变化,比如空间位形和时间流逝速率的剧烈震荡)。对我来说,这些都是令人向往的前沿课题。约翰·惠勒是一位具有非凡创造力的科学家,他把这一过程称为“几何动力学”:时空几何的剧烈动力学行为。 

  20世纪60年代早期,那时我还是惠勒的学生,他建议我和其他学生去做有关几何动力学的研究。我们尝试了,但是非常不幸地失败了。我们当时不知道如何才能把爱因斯坦方程解得足够完美,从而了解这些方程的理论预言,而且我们也无法在天文学上观测宇宙的几何动力学。 

  我曾经花费了很多时间来改变这个状态。我还和其他人一起创建了LIGO来探测遥远宇宙中的几何动力学。2000年,我把我在LIGO的职位转交给别人,然后与其他在加州理工学院的同事们共同建立了一个科学小组,我们的科学目的是用超级计算机计算爱因斯坦方程的数值解,然后用这些数值解来模拟几何动力学,并研究与它相关的性质。这个项目被称为SXS(模拟极端时空)。这也是一个合作项目,其中包括我的小组、康奈尔大学索尔·图科斯基的研究小组和其他一些小组。 

  研究几何动力学的最佳地点是两个黑洞发生碰撞的地方。因为当两个黑洞发生碰撞时,黑洞会将时空带入剧烈的旋转之中。我们的SXS数值模拟现在已经比较成熟,并且已经开始逐步揭开了广义相对论的预言(见图6)。

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  图6 双黑洞碰撞的数值模拟。上图:从我们的宇宙中观测到的双黑洞轨道和引力场。中图:黑洞碰撞时的时空弯曲(超空间的假想观测),箭头表示空间跟随黑洞运动的速度向量,颜色代表时间的弯曲程度。下图:数值模拟中辐射出的引力波的波形。数值模拟中的两个黑洞是完全相同的无自旋黑洞。

  图片建立在SXS小组的数值模拟结果之上,截图自哈拉尔德·菲佛制作的演示视频 

  原初引力波,一瞥宇宙诞生的奥秘 

  除了此次LIGO观测到的双黑洞碰撞产生的引力波外,我的俄罗斯好友列昂尼德·格里修克,早在1975年就给出了一个令人吃惊的预言:宇宙大爆炸会产生大量引力波。他认为,这些引力波的产生机制是以前不为人所知的:来自大爆炸的引力量子涨落会被宇宙初始的膨胀显著地放大;在经过放大之后,它们就形成了原初引力波。如果这些引力波能够被发现,那么它们可以帮助我们一瞥宇宙诞生时的情形。 

  在之后的几年里,随着对宇宙大爆炸认识的逐渐成熟,我们很明显地发现,在波长和我们整个可见宇宙相当的尺度上——大约是10亿光年,原初引力波的波强将达到峰值。而在LIGO的可探测波长处,即几百千米到几千千米的尺度上,原初引力波的强度会弱到无法观测。 

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  图7 宇宙微波背景辐射 

  20世纪90年代早期,宇宙学家们意识到,这些10亿光年波长的引力波应该会在填充满宇宙的电磁波背景——所谓的宇宙微波背景辐射(CMB)——上留下独特的印记。这样,一个圣杯式的研究工作便浮现了出来:寻找存在于宇宙微波背景辐射上的原初引力波的印记,通过研究这些印记,推断产生这些印记的原初引力波的性质,从而探索宇宙的诞生。 

  2014年3月,宇宙微波背景辐射上的原初引力波印记被杰米·巴克组建的小组发现(见图8)。而在加州理工学院时,他的办公室就在我办公室门前走廊的另一端。然而,在2014年的冬天,一系列的努力却得到了一个令人失望的结果。杰米的团队和欧空局普朗克卫星(在绕地球飞行)的联合观测表明,至少有一半的观测信号事实上是由于星际尘埃所导致的,而是不是完全由尘埃所致目前还不清楚。 

  如果这个信号真的是由大爆炸所产生的原初引力波造成的,那么这也许是宇宙学中50年一遇的重大发现。这个信号为我们带来了宇宙诞生极早期(大爆炸后一兆兆兆分之一秒)的信息。它将证明理论物理学家关于宇宙极早期快速膨胀的预言,用宇宙学家的行话说是“暴涨”。这将把宇宙学引入一个新纪元。

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  图8 发现原初引力波信号的Bicep2望远镜,由杰米·巴克的团队所建造。Bicep2望远镜位于南极,图中是南极黎明时的场景,由于极昼夜现象,在一年之内观测只有两次。望远镜下方的保护罩是为了保护望远镜不被来自周围冰层的辐射影响。图中右上角的插图显示了测量到的引力波在宇宙微波背景辐射上的印记:极化分布图,宇宙微波背景辐射的电场指向图中的短线方向

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标签: 引力波;黑洞;拉伸;宇宙;探测;宇宙微波背景;观测;动力学;研究;加州理工学院 编辑: 李月红
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