-
陈雁北、范锡龙:爱因斯坦都不敢想象,我们真的探测到引力波!
关键字: 引力波爱因斯坦引力波美科学家探测到引力波科学家捕获引力波后来,在Oppenheimer和Wheeler 等人的研究下,人们逐渐意识到,这是大质量星体烧尽核燃料以后,通过“塌缩”所达到的一个状态。Wheeler把这些时空结构命名为“黑洞”。
在数学上,黑洞的时空有很多奇妙的结构。比如,黑洞有一个叫做“视界”的结构。在“时空图”上,视界把时空分成两部分,一部分是可以和远处联系的,而另一部分,是无法和远处联系的。当星体塌缩成黑洞时,坐在星体表面的观测者会穿过黑洞的视界,而站在外面的观测者,则不会看到星体表面的观测者穿过视界,只是看到他的运动越来越慢,像是被“冻结”在视界表面。
再比如,在视界外面不远,有一个“光球”。光在引力的作用下,可以在光球上绕着黑洞运转,既不逃逸到无穷远,也不落入黑洞。
在70年代,科学家又从数学上推断出黑洞的一些其他性质。一方面,数学家证明了一系列的“黑洞唯一性”定理,显示具有“视界”并且没有物质的时空只能是有限的几个黑洞的时空结构。另一方面,《黑洞微绕论》的创立让物理学家从直观上论证了在星体塌缩成黑洞的过程中,黑洞的几何结构产生的过程。当霍金等物理学家把量子力学用在黑洞上时,惊奇地发现,黑洞也会通过所谓的”霍金辐射”蒸发。
天文学中的黑洞
黑洞在数学上奇妙的性质,引起了人们的无限遐想,也成为科幻作品的重要题材。可是,它是不是真实的物理存在呢?科学上要证明一个物体的存在,至少要观测到它对别的物体的效应。
闭门造黑洞是不行的,要抬头看天!
天文观测中,科学家发现了一些疑似黑洞的物体。由于对爱因斯坦理论的信任和青睐,天文学家们一致认为这些物体就是黑洞。
第一类物体的质量是太阳的几倍到几十倍,它们存在于X-射线双星里,并且尺寸小于几十公里。按照广义相对论的计算,这样的物体必须是黑洞。这些物体发出的X-射线是由黑洞的伴星放出的气体在往黑洞下落的时候相互挤压、摩擦、加热发出的。
第二类物体是存在于星系中心的超大质量黑洞,具有可以超过几十、几百万倍的太阳质量,并且也有很小的尺寸,让大家推测这些也必然是黑洞。比如,在银河系的中心,就有一个四百万太阳质量的黑洞。在另外一些星系中,有气体不断掉入黑洞,在黑洞附近形成一个绕着黑洞旋转的“吸积盘”,并且在黑洞的旋转轴附近发出“喷流”。这样的一个系统叫做活动星系核,它会发射的强烈电磁辐射,是天文观测的一个重要目标。
还有一类物体是中等质量的黑洞。它们可能产生于小质量黑洞并合,或者小黑洞吃掉很多恒星,或者是通过宇宙早期的大质量恒星塌缩而形成。在某些低光度的活动星系核,超亮X-射线源和球状星团中有一些它们的踪迹。
这些天文学中的观测现象从一个侧面证明了黑洞的存在,但是目前还没法很精确的测定黑洞附近的几何结构。这些黑洞也都是随时间不变的稳定黑洞,它们周围的时空结构,在我们观测的这段时间内是不变的。
引力波
爱因斯坦在1916年就预言了引力波的存在: 他发现自己的方程有一组解,和电磁波的性质类似,以光速传播。但是他在文章里又说(下图中最后一句),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,引力波的辐射都可以被忽略。
Albert Einstein, Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation, Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften (Berlin), 1916.
在很长一段时间内,物理学家搞不清这个解的物理意义,更没想到这个波可以有什么观测上的价值。在1960年左右,引力波的物理意义开始明朗,物理学家认为,引力波可以被看成是引力相互作用的传播,并且可以被看成是携带着引力能。这就说明,引力相互作用是以光速传播的。
想了解引力波所对应的时空几何,需要把刚才光滑的苹果变成粗糙的橘子:橘子表面有两种弯曲的几何结构。大尺度的时空几何(橘子的半径)代表了宇宙空间中的引力,而小尺度的几何(粗糙的点点)代表了引力波。
在一个自由下落的物体参照系中,引力波可以看成是一个“潮汐引力场”。也就是说,距离这个物体越远的物体,它感受到的引力场越大。在自由物体之间,潮汐引力场会引起他们相对位移按比例的变化(也就是“应变”)。引力波的振幅h,通常就用这个应变来代表。
如果不是自由下落的分开的物体,而是一个整个的弹性体,那么引力场的效果还要看这个弹性体本身对外力的响应。
引力波探测的历史
爱因斯坦说了,引力波很微弱,那么到底有多么微弱呢?我们下面举一个例子说明。就算是人类历史上最大的氢弹爆炸,我们可以粗略的估算一下离爆炸处一米之内的引力波振幅h,也就是它引起的自由下落物体之间的应变。这个应变,只有10^-27左右的量级。
虽然引力波这么微弱,但还是没有吓倒勇敢的实验物理学家Joe Weber。他深信,虽然地球上产生的引力波很微弱,宇宙空间中也许有天文现象可以导致足够强的引力波。20世纪60年代末期,Weber开始用共振法测量引力波。具体就是用一个很大的金属物体,利用引力波在物体的谐振频率上引起共振的特点,希望从这个物体的振动中提取引力波的信号。Weber发表了一些实验结果,认为已经发现了引力波。但是很可惜,他的实验没有人可以重复,而理论上也很难论证究竟是什么样的过程发出了这么强烈的引力波信号。但是,Weber的工作激励了一批科学家投身引力波事业。从20世纪70年代起,一批理论和实验物理学家加入了引力波理论研究和实验探测的行列。
-
本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑:李楚悦
-
“伊以都在降调”,国对国直接打击结束? 评论 46以色列“有限复仇”:选在了伊朗核计划中心 评论 350以色列“报复”开始:伊朗多地传出爆炸声 评论 5865.3%,一季度“开门红”能转化为“全年红”吗? 评论 153“以色列精心策划俩月,但严重低估了伊朗反应” 评论 121最新闻 Hot
-
以色列“有限复仇”:选在了伊朗核计划中心
-
5.3%,一季度“开门红”能转化为“全年红”吗?
-
两大家族开撕?菲第一夫人公开指责副总统:不道歉,这事就没完
-
美国一票否决,多方回应
-
李迅雷:发展服务业与做强制造业不矛盾,可参照德国、日本
-
欧盟跟着泼脏水:中国不仅坐山观虎斗,还下场了
-
美国积极促成沙以和好,“可以限制中国”
-
“这是拜登政府首次挑起加税,中方反制不会手软”
-
“预计今年将推出一揽子政策,旨在解决问题而非刺激经济”
-
美以私下做了个交易?美方紧急撇清
-
特朗普变口风:乌克兰的存亡对美国很重要,欧洲麻利点
-
“未来几年,这是各方关注中国市场的一个重要指标”
-
应韩企要求,美国拟恢复一项涉华关税
-
菲律宾“倒打一耙”
-
“以色列精心策划俩月,但严重低估了伊朗反应”
-
“你们愿意中国提前登月?不愿意?那就打钱”
-