专家访谈:关于引力波的一切 都在这里!_科技

发布时间:2016-02-19 16:02:00

[摘要]“引力波”究竟为何如此引人注目,科普中国邀请到国内外理论物理领域的多位专家,共同谈谈引力波这件大事。

出品:科普中国

制作:知识分子 中国科普博览

监制:中国科学院计算机网络信息中心

2016年2月12日,对于很多国人来说,是再平凡不过的一个猴年春节假期中的一天。但对于很多科学家来说,对人类整体来说,它实在是值得载入史册的一天。

专家访谈:关于引力波的一切 都在这里!

引力波音频。图片来源:LIGO新闻发布会直播截图

激光干涉引力波天文台(LIGO)直接探测到引力波的新闻发布会,吸引了众多科学家守候,这一成果的意义完全可以使得全世界沸腾——人类获得了全新的认识的一种能力,将进入引力波时代。

为这一消息激动的除了科学家,还有爱好者们。包括小编的一位好基友。作为如假包换的爱好者,他在家里科普引力波,结果和牛顿的忠实拥趸父上大人差点打了起来。依小编的愚见,他大概还是没说明白。

为了避免这样的极小概率(can)事件(ju)再次发生在热心科普粉身上,知识分子联合中国科普博览,邀请到国内外理论物理领域的多位专家,共同谈谈引力波这件大事。

一、科学家们究竟取得了什么成果?

专家访谈:关于引力波的一切 都在这里!

李淼,中山大学天文与空间科学研究院院长,主要研究方向为宇宙学、弦论、高能物理

李淼:人类首次探测到引力波,首次探测到双黑洞合并

根据发表在物理评论通讯(PRL)2016年2月11号一期上的论文,《合并双黑洞系统引力波辐射的观测》:2015年9月14号协调世界时09:50:45 ,LIGO的两个引力波探测器同时探测到一个短暂的引力波信号,相对强度为1.0 ×10^-21 ,频率覆盖35到250赫兹。

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引力波信号GW150914在天图(SkyMap)上的分布。图/Caltech/R. Hurt.

根据爱因斯坦的广义相对论,这个信号来自于双黑洞系统的合并。这个双黑洞系统距离地球大约为410兆秒差距,也就是大约13亿光年(亮度距离)。两个黑洞的质量分别大约是36个太阳质量和29个太阳质量,其中引力波辐射损失的质量大约为3个太阳质量。

这个发现表明存在太阳质量级别的双黑洞系统,是人类第一次探测到引力波,也是人类第一次探测到双黑洞合并。

以上基本上是这篇LIGO和Virgo合作论文摘要的翻译。

二、能否一句话说明什么是引力波?

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布鲁斯•艾伦(Bruce Allen),德国马克斯-普朗克引力物理研究所(阿尔伯特•爱因斯坦研究所)所长,LIGO科学合作组织(LSC)分布式计算项目Einstein@Home(意为“爱因斯坦在你家”)领导人。

布鲁斯•艾伦:引力波是时空曲率的涟漪,从源处以光速传播。

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马丁•亨得利(Martin Hendry),英国格拉斯哥大学天文与物理学院院长, 主要从事宇宙学和引力波天文学研究,LIGO科学合作组织成员, LIGO科学合作组织教育与公众宣传小组副组长。

马丁•亨得利:引力波是时空中的涟漪,是宇宙中某些最激烈的事件产生的——例如恒星爆炸和黑洞碰撞(后者是我们这次探测到的类型)。

三、这一成果有何意义,为什么它能让这么多科学家如此激动?

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陈雁北( Yanbei Chen),美国加州理工学院物理学教授,主要从事引力波研究,LIGO科学合作组织成员。

陈雁北:对广义相对论有了进一步的认识

引力波在广义相对论中是一个推论,并且是很重要的一个。

引力波和电磁波,在数学上有一定的类似之处。打一个比方,法拉第、麦克斯韦建立的电磁场理论,推论出电和磁之间的联系。在最初,这个联系体现在“电磁感应”,比如运动的电荷可以产生磁场,而变化的磁场也可以产生感生电动势。从这些,可以从理论上建立一个麦克斯韦方程组。但是,这个方程组又推论出一个新的现象,就是电磁波。在电磁波里面,电场和磁场之间会有一个完全的转换,电磁感应会把能量传播到无穷远处。在赫兹发现了电磁波,并且测定了它的传播速度之后,电磁场理论才真正完整地被验证了。

所以相比之下,只有探测到了引力波,研究了它的性质之后,才能说对广义相对论有了一个完整的认识。

马丁•亨得利:创造了一个机会,而非解决了一个问题

我们探测的成果之一便是完成了对爱因斯坦广义相对论关键预测的最后验证。但我觉得这并非是解决了一个问题。几乎所有的天文学家和物理学家都完全相信引力波是存在的,只是此前我们不能直接探测到它们。

事实上本来可能有一个大得多的问题,那就是如果我们能够确认两个黑洞的合并没有发出引力波,因为这可以表明爱因斯坦的理论存在严重的问题——那会是令人震惊的,要知道广义相对论在不是那么极端的物理条件下取得了巨大的成功。

当然,类似的评论可以应用在黑洞本身的存在性上。人们从电磁数据中得到了关于黑洞存在的很多间接证据,但对它们的直接探测——通过它们发出的引力波——是一个惊人的发现。不过同样不是真正解决了一个天文学和物理学中的问题。

因此,我们不把这一发现当作是解决了一个问题,而是认为它创造了一个巨大的机会。

苟利军(中国科学院国家天文台研究员,恒星级黑洞研究创新小组负责人):基础科学的胜利,伟大理论的胜利

听到这个消息的时候,有热泪盈眶的感觉。一方面,科研工作者,尤其是基础学科的科研工作者,可能都是花费几十年时间来做这一件事。即使大家都相信引力波存在,但因为它太微小,很可能也是探测不到的。在2000年左右,LIGO的创建人基普•索恩甚至认输了,承认的确在第一阶段的时候没有探测到。直到升级后,终于探测到引力波。这么多人为这一个信念奋斗几十年,把这么困难的探测做到了。

另一方面,爱因斯坦在一百年前就预言到了引力波的存在,而它的广义相对论包含了宇宙中如此之多的现象,一个非常简单的方程居然包含如此丰富的信息。这次探测到引力波更验证了这个理论的震撼与伟大。

四、探测引力波为什么这么难?

陈雁北:所产生的变化太微弱了

在人类能够感知的尺度下,引力是一个很弱的相互作用。只有靠天文中大质量的星体的运动,才能产生相对比较强一些的引力波。但是就算是这样,引力波对地面上的物质产生的影响也是微乎其微的。这次探测到的引力波,振幅为10^-21,这就说明,在LIGO中距离4公里的镜子,其相对距离只是变化了10-18米左右,是原子核尺度的一千分之一。这么微弱的距离变化,是人类在之前根本没法达到的,是精密测量科学的最前沿。

五、既然探测引力波这么难,我们都有哪些手段探测引力波呢?

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苏萌,麻省理工学院物理系Pappalardo研究员,研究兴趣高能天体物理学与宇宙学,主要集中在宇宙微波背景辐射、暗物质探测与宇宙射线物理学

苏萌:四种探测引力波的手段

目前为止,探测引力波的主要手段有四种,分别针对不同天体物理与宇宙学起源的引力波信号。

1.原初引力波信号。

原初引力波信号是频率最低的引力波类型。针对当今的宇宙起源模型认为,宇宙大爆炸时会发生宇宙时空剧烈的暴胀过程(inflation),由于时空的剧烈扰动会产生一个引力波的背景信号,就是所谓原初引力波信号。这种引力波的波长跟整个宇宙的尺度差不多大,所以只能通过对宇宙大爆炸后遗留的光子场的信号(所谓宇宙微波背景辐射)来寻找原初引力波的信号。前不久颇具影响的Bicep2实验正是通过这种方式探测到了原初引力波的迹象,本可以是实现首次引力波直接探测的实验,可惜后来更多数据和仪器的结果显示,虽然测量结果没有问题,可是探测到的却是我们银河系自身的信号,并不是来自于宇宙早期。

2.大质量黑洞并合时发出的引力波

这类引力波对应的频率在百万分之一到亿分之一赫兹。

这种事件往往发生在星系与星系相撞的后期。人们想出一个绝妙的方法去试图观测这种天体物理过程发出的引力波:利用校准后的毫秒脉冲星!毫秒脉冲星是自转极快的带强烈磁场的中子星,顾名思义,这种脉冲可以作为一个时钟——可以达到原子钟级别的精确的时钟,若干这样精确校准的毫秒脉冲星作为校准光源,利用地面上的大型地面射电望远镜作为探测器来观测大质量黑洞并合时发出的引力波。

3.十万分之一到一赫兹的引力波

当频率提升到十万分之一到一赫兹,对应的信号来源更为丰富,比如质量更小一些的大质量黑洞冰河过程的后期,银河系内的白矮双星,甚至是在宇宙早期所谓“电弱”相变过程可能产生的宇宙学尺度引力波。

探测的手段也是蛮拼的:空间卫星阵列!著名的LISA(光学干涉空间阵列)作为欧洲空间局批准的大型空间实验卫星项目,将为实现这个目标再努力二十年左右。首颗技术验证星去年年底刚刚上天,目前为止运行良好。我国中山大学领导的雄心勃勃的天琴计划是我国正在规划的空间探测引力波实验。

4.高频段的引力波

引力波的高频段是几十到几千赫兹,这就是这次LIGO-Virgo合作组宣布的首次引力波直接探测的频段,主要的信号源是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统。探测手段就是地面数公里的激光干涉装置。

四种手段探测的引力波信号源不同,科学目标也不同。

六、除了LIGO,还有哪些探测引力波的机构?

苟利军:看图说话。

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全球引力波天文台分布

七、为什么是LIGO探测到了?

布鲁斯•艾伦:感谢大自然

据我所知,除了LIGO,目前还没有其它的机构探测到引力波。至于为什么是我们,(实验装置)设计精巧、工作人员卖力、运气好(感谢大自然,引力波源的时间地点都无比合适)。

马丁•亨得利:感谢有史以来最敏感的科学仪器

为达到令人震惊的灵敏度要求,在过去的几年里,LIGO探测器设计的几乎每一个方面都被升级过。我们在格拉斯哥大学领导的英国研究机构联合会发挥了关键作用,特别是在LIGO探测器核心区域发展、构造和安装灵敏的反射镜悬架,这对此次探测非常重要。该技术是以我们在早期英国/德国GEO600探测器上的工作为基础的。这使得LIGO升级为Advanced LIGO,可以说是有史以来最敏感的科学仪器,因此我们得以第一次直接看到黑暗的宇宙。

八、这一成果将对这个时代的科学研究产生哪些影响?

布鲁斯•艾伦: 开辟全新的天文学研究领域

它将为天文学研究开辟一个全新的领域,为研究黑洞和中子星等致密天体提供新的方法。

马丁•亨得利:引力波天文学领域的未来十分光明

总的来说,我相信我们的发现是一个惊人的科学成就:它提供了黑洞存在的第一个直接证据,即它们可以以成对的形式存在,而这些对可以碰撞和合并,并在这一过程中以引力波的形式释放大量能量,这与广义相对论的预测惊人地一致。

但是,我们的发现并不仅仅是检验爱因斯坦是否正确。探测引力波将有助于我们探测宇宙中情况最为极端的角落——黑洞的视界、超新星的最深处、中子星的内部结构——那些常规望远镜完全无法接近的区域。

我们将在下一个十年见证Advanced LIGO探测器的进一步改进,以及全球探测器网络的扩展,包括意大利的Advanced Virgo,日本的神冈引力波探测器(KAGRA),以及可能在印度的第三个LIGO探测器。这种增强的全球网络将显著提高我们的确定引力波源位置以及更准确地估计它们物理性质的能力。引力波天文学这一崭新的领域有着非常光明的未来!

苟利军:目前对黑洞研究的影响不大,但未来可期

这次探测到的引力波来自双黑洞的合并,理所当然的吸引了我的注意。但限于目前的探测能力,估计还很难给黑洞研究带来非常大的变化,

但是如果等到第三代,以及空间探测器的发射之后,对于黑洞的研究,会给我们提供一种完全崭新的方式去研究黑洞。

首先:探测方式会对现有的方式做出一个补充。我们理论上知道就我们银河系中有至少上千万个恒星级的黑洞,自从人类在60年代发现第一个黑洞天鹅座黑洞X-1以来,到现在也仅仅确认了20多个黑洞,所以发现黑洞的速度是非常缓慢的。最主要的原因是黑洞没有辐射,难以观测。但是如果有双黑洞的引力波的却给我们提供了另外一种全新的方式,很有可能会通过这种方式让我们发现很多。在目前看来,也仅仅是个补充,不能完全替代,因为他们探测的是不一样的黑洞类型。

另外,研究方式上也不一样。我们或许知道,对于一个黑洞性质的描述,我们通常有所谓的无毛定理,也就是只需要质量和角动量就可以完整描述黑洞。在目前来看,我们现在都是通过电磁方式研究黑洞,涉及到不同的波段,耗费的时间多时间,而所观测的电磁信号来自于距离黑洞比较远的地方,而且可能电磁信号很容易受到吸收干扰,所以往往得到的信息是不一定完整。但是引力波的波形却直接可以给出我们黑洞周围时空最直接最直接的信息,也是最准确的。

当然随着引力波观测数据的积累,我们对于一些黑洞相关的其他领域也会产生非常大的影响,比如恒星演化,甚至星系演化和宇宙演化 等等。

九、中国在引力波研究方面有自己的计划吗?

胡文瑞(中国科学院院士,流体力学专家):空间太极计划

2008年由中国科学院发起,中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与,成立了中国科学院空间引力波探测论证组,开始规划我国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图。

经过几年的努力,目前已形成了一支以中国科学院科研人员为主的空间太极(Taiji)计划工作组。

太极计划是一个国际合作的空间引力波探测计划,它有两个方案。方案I是参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划,今年秋天将召开第三次双方科学家会议,完成双边合作的可行性报告,然后各自向主管部门呈报,由双方主管部门审批后执行。国际上很希望能有二组空间引力波探测系统同时进行空间探测,彼此验证,方案II就是发射一组中国的引力波探测卫星组,与2035年左右发射的eLISA卫星组同时邀游,进行低频引力波探测。方案II拟于2033年前后发射,实现我国大型先进科学卫星计划的突破。届时,中国卫星组与eLISA卫星组同时在空间独立进行引力波探测,互相补充和检验测量结果,我国将成为国际上空间引力波研究最重要基地之一。以基础科学研究为牵引,我国在空间科学研究、高端空间技术和科学卫星的整体水平上将会有一个质的飞跃。

(整理自胡文瑞院士2016年2月16日在新闻发布会的发言)

李淼:中国天琴空间引力波探测实验项目

天琴计划的出发点是切实根据我国的技术能力实际和未来几十年的发展前景,提出我国自主开展空间引力波探测的可行方案。

在目前讨论的初步概念中,天琴将像LISA一样,采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列,每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量。卫星上将安装推力可以精细调节的微牛级推进器,实时调节卫星的运动姿态,使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。这样检验质量将只在引力的作用下运动,而来自太阳风或太阳光压等细微的非引力扰动将被卫星外壳屏蔽掉。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化,从而获得有关引力波的信息。

与LISA或eLISA不同的是,天琴的卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行,针对确定的引力波源进行探测。这样的选择能够避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题,而且有望帮助节约大量卫星发射方面成本。天琴的实验技术方案会在未来的研究中进一步优化,以实现其科学价值最大化。

苟利军:还有阿里计划

对不同频段的引力波,我国有不同的项目在计划或进行中。除了太极计划、天琴计划,中科院高能物理所还提出了一个阿里计划,准备在西藏阿里天文台放置一个小型望远镜,对北半球进行宇宙背景辐射的监测,从而间接地探测原初引力波。

虽然到目前为止,我国还没有真正运行中的引力波探测器,不过等到未来如果探测到引力波探测后,需要进行波形拟合等涉及信息提取的工作,非常复杂,国内已经有一部分人在做这方面的工作了。像中科院数学所就有一些科研人员在做广义相对论的数值化,而且得出了很好的结果。

十、进入引力波时代,未来的研究方向是什么?

马丁•亨得利:引力波是否真的是以光速传播有待检验

在我们数据所显示的范围内可以找到被观察到的事件,但我们不能更准确地给出这一位置。然而在未来,随着越来越多的引力波探测器被添加到我们的全球网络,我们确定引力波源位置的能力将大大提高。

爱因斯坦的理论预测,引力波以光速传播,但我们的数据还不能完全确认是光速。然而,我们希望在未来探索这一问题,希望能检验引力波是否真的是以光速传播。

苏萌:打开引力波研究宇宙的新篇章

LIGO探测到引力波,将打开引力波研究宇宙的新篇章。未来的科学发展方向大致有三方面:

1.利用发出引力波的天体物理源研究宇宙学;

2.通过引力波直接探测研究黑洞并合成长的过程;

3.研究宇宙早期的极端物理过程,帮助我们了解宇宙的起源、演化中的基础物理学原理。

十一、最后,让牛顿的忠实拥趸承认人类探测到了引力波,一定要打一架吗?

苟利军:这个问题……应该不需要打一架吧。这应该只是认识引力的不同看法的问题,牛顿认为只要有质量就有引力,而爱因斯坦提出了另一个观点,有质量的物体引起了时空的弯曲,造成了引力,

在日常生活中,用牛顿的观点去理解是没有问题的,但在某些情况下,是无法用牛顿的观点去解释的,比如水星近日点的进动,就是无法用牛顿的观点来解释的。

(编者按:牛顿认为,月球之所以会绕地球运转,是它们之间存在万有引力的缘故。这引力像绳子或弹簧一样一头拴着月亮,一头系着地球。一个形象的比喻就是投掷链球:地球是链球运动员而月亮是链球,地球在自己旋转的同时用铁链(万有引力)拉住月球,带它一块转。当然,万有引力是无形的,看不见摸不着,却如一条条铁链拴住世间万物。

而爱因斯坦认为,每个有质量的物体周围都会出现时空的“弯曲”。这种弯曲就像在一层橡胶膜上放一颗铁球产生的凹陷一样。这时放在膜上的物体就要顺势滑向铁球。在现实中,太阳的质量也在其周围产生空间弯曲,行星在“弯曲”的空间里运动,看起来好像是绕着太阳转圈一样。想象一下在漏斗侧壁上滚动的小球,只要它的速度合适,就不会落入漏斗中。同样,包括地球在内的行星都以恰到好处的速度绕太阳转动,因此不会被太阳这个“引力漏斗”吸入。)

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