1969年的一天,冷战期间一艘苏联船只的船员决定通过写一封信,将其放入瓶子中,然后将其扔进大海来打发无聊。尽管当时苏联和美国之间处于敌对状态,但这封信并没有带有任何威胁,而是带有良好的问候和纯真的祝愿。五十年后,有人偶然从阿拉斯加海岸捡到了这个瓶子。 为了给我们带来那艘船及其水手存在的证据,这封信的作者阿纳托利·博萨年科(Anatoly Botsanenko)向我们解释了这种荒谬的目的:“我的朋友们在一个单调的夜晚问问总有一天我们会被遗忘,没有人会知道这艘船及其船员的存在”。
与阿纳托利和他的同伴们不同,他们将一条信息扔进了海洋深处,却没有找到它的希望,在那十年里,一群科学家站等待着来自宇宙深处的一份信,当时他们只有科学上的确定性,即一份信一定会到来,他们付出一生的巨大努力,以便抓住它,真运气好,噢,人类的幸福……! 此消息于 2015 年 9 月 14 日到达,并被二十世纪人类最伟大成就之一“LIGO”接收。
这条消息的标题是:“重力波”。

根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论,光在重力的影响下会弯曲。

小提琴手和他的琴弦
为了理解重力,我们的思想必须完全接受这一点:正如科学家艾萨克·牛顿所解释的那样,它不再是在质量、加速度和距离的影响下吸引物体的隐藏力。牛顿所做的是用极其美丽和简单的定律来解释重力对我们的运动和日常生活的影响。但我们,后相对论的后裔,意识到引力是时空结构的弯曲或变化。空间和时间共同构成了宇宙的空间结构,受到质量的影响。 这种完美的织物被扭曲导致弯曲或变形,这就是重力[2]。
似乎第一次提到引力波是在亨利·庞加莱 (Henri Poincaré) 于公元 1905 年撰写的一篇文章中,他在文中总结了他的数学相对论,提出引力是通过一种他称之为“引力波”的波来传递的[3]。1915 年发表广义相对论后,爱因斯坦预言引力波是物质运动或时空结构中两个巨大质量碰撞的结果。这就是实际发生的事情,一个世纪后,引力波到达了我们这里。 让引力波的想法更接近实际的最直观的来源似乎会误导我们,让我们相信它们是广义相对论中引力原理的逻辑结果。但爱因斯坦却未能发现这些波。 他把它当作电磁波的想法。在电磁情况下,辐射是由电偶极子的振动产生的,该电偶极子由两种不同的电荷(一个正电荷和另一个负电荷)组成。空间内电偶极子的振荡产生电磁波。但在重力的情况下,由于不存在负质量,测量结果就崩溃了。 这导致爱因斯坦放弃了引力波的想法。[4] 然而,爱因斯坦并不相信这些波不存在,他继续努力研究复杂的数学,以寻找类似于科学家麦克斯韦在电动力学波动方程中所做的努力的解决方案。因此,爱因斯坦完全不满意地提出了三种不同类型的引力波,这些引力波在相对较长的时间内留给了一位像他这样专门研究理论物理学的科学家和广义相对论的创始人。或许他不关注引力波的原因是因为一种震动物理学界的新理论,那就是量子力学。他还关心宇宙学常数,在一些物理学家进行逻辑分析,证明广义相对论预测宇宙膨胀后,他将宇宙学常数添加到静态宇宙中。然而,引力波问题一直困扰着物理学界的杰出人物。公元 1922 年,在 1919 年日食中证明了广义相对论的物理学家和天文学家阿瑟·爱丁顿爵士发表了一篇科学论文,其中他解释说,爱因斯坦发现的两种引力波在“波状”坐标系的平坦空间中以不同的速度传播,并不是时空结构中的波。他对第三波进行了方程计算,并证明它以光速向各个方向传播。 因此,不排除引力波的存在。 [5]
广义相对论发表二十年后,爱因斯坦写信给他的朋友、著名物理学家马克斯·玻恩:“我和我年轻的助手罗森得出了一个有趣的结论,那就是引力波不存在。”1936年6月1日,爱因斯坦和罗森向著名期刊《物理评论》 “Physical Review” 发了一篇题为《存在引力波吗?》的文章, 当时的编辑是约翰·泰特,他又将这篇文章提交给霍华德·罗伯逊;后者仔细研究后提出了负面评论。约翰于 7 月 23 日致信爱因斯坦,要求他对审稿人的评论做出回应,但没有透露具体的名字; 这种行为激怒了爱因斯坦,他在信中愤怒地回应道: “尊敬的先生/
我们(罗森先生和我)将我们的手稿发送给出版,但我们没有允许您在印刷之前将其展示给专家。 我认为没有理由审查匿名专家的“负面评论”。 “基于这一事件,我宁愿在其他地方发表这篇论文。” 爱因斯坦
爱因斯坦对他的论文未经他许可就被审阅感到不安。 但后来,“爱因斯坦论文的审稿人”罗伯逊与一位名叫利奥波德·因菲尔德的年轻物理学家成了朋友,后者接替罗森成为爱因斯坦的新助手。在其中一次会议上,罗伯逊表达了他对引力波是否存在的怀疑,因此他们审查了罗森/爱因斯坦的论文,确认了一些错误。恩菲尔德将他与罗伯逊的观察转达给了爱因斯坦,但他在自传中提到这位天才已经意识到了他的科学论文中的错误并进行了纠正,而内森·罗森则一直认为引力波只是一种数学结构,没有真正的物理意义。
自从爱因斯坦首次断定引力波的存在以来,他就意识到引力波的问题在于,它们对物质的影响几乎可以忽略不计,因为引力常数的值非常小。 这使得实验观察成为不可能的任务。此外,并非所有的波都是平等的。 因为这取决于你产生的现象; 至于波在传播过程中对物质的影响,与水波的情况类似。你往死湖里扔的石头越大,形成的波浪就越大。但这个例子只是现实的简单描述,因为引力波与任何已知类型的波(例如声波或电磁波)完全不同。这是科学界接下来讨论的焦点。
Chapel Hill会议 到二十世纪中叶,引力波已成为科学事实。 但问题是:“这些波是否携带能量?”经过相对论的巨大发展以及该知识领域在时空结构和宇宙膨胀方面产生的新概念,另一方面,量子力学的发展以及将其与引力统一的可能性的未来愿景。Chapel Hill会议于公元1957年举行,讨论了一组不同的科学主题,重点关注引力及其波。来自 11 个国家的约 40 名演讲者在北卡罗来纳大学Chapel Hill分校举行了为期六天的会议。与会者大多来自新一代物理学家,其中包括年轻的物理学家理查德·费曼,他以形式实验的思维而闻名,这一点使爱因斯坦和薛定谔脱颖而出。在会议上,他提出了一个被称为 “粘珠论证” 的论点,可以简单描述如下:如果我们假设存在两个没有固定在一根杆上的(粘性)环(如下图所示,上面的部分)。如果有引力波; 它们会产生潮汐力,进而对杆产生纵向压力,并且由于珠环可以自由移动,因此它们会响应这些力并滑向杆的末端,远离中心(杆的下部)如下图)。由于摩擦,这种运动也会加热珠子和棒。这种加热表明能量通过引力波转移到棒上。 这表明引力波携带能量。

会议上关于引力波影响的讨论说服了一大群与会者,其中包括赫尔曼·邦迪(Herman Bondi),他是最初对引力波存在持怀疑态度的人之一。 [6] 当后来的理论物理学家忙于争论这些波的性质时,与会者中的一位应用物理学家走得更远。约瑟夫·韦伯对引力波的想法很着迷,决定设计一种可以探测引力波的设备。 他主要通过测量机械系统中发生的振动来建立他的想法。为此,他设计了一个金属圆柱体作为一种天线来监测引力波带来的共振。韦伯的想法可以比喻为他的金属圆柱体就像人的耳朵,可以拾取从钟声中发出的声波。那是用锤子敲击的。这就是机械系统的含义,因为引力波可以像声波一样起作用。韦伯和他的团队在十年的时间里多次开发了他的设备。 然而,韦伯研究结果的可信度在当时有所不同。可以说,引力波不能像声波那样工作,因为声波会压缩和扰乱空气分子,而引力波会膨胀和压缩时空。

LIGO项目
目前尚不清楚具体是谁提出了利用光的特性来观察引力波的想法。 但这个想法对于任何物理学家来说都是非常合理的,尤其是在光学和激光技术取得巨大发展之后。最大的挑战是如何创建一个能够超越所有外部噪音的观测站,例如道路上行驶的卡车、地震、轻微的地面振动和材料的电动振动。比这更遥远的是原子粒子的振动。 引力波非常弱,其对物质的影响不超过原子核直径的千分之一。 因此,即使是量子世界的噪音也会干扰测量过程。
就像罗伯逊·班菲尔德(Robertson Banfield)聚在一起审查爱因斯坦的论文并证明引力波的巧合一样,雷纳·韦斯(Reiner Weiss)也与理论物理学家基普·索恩(Kip Thorne)聚在一起,后者公元 1975 年夏天在机场接他去参加美国国家航空航天局(NASA)的相对论和宇宙学领域关于太空研究用途的会议。韦斯发表了关于建造“空间激光干涉仪” 来探测引力波的演讲。一位参加会议的博士生称,对于公元 2035 年的太空项目来说,该提案雄心勃勃而天真。
华盛顿天气炎热,游客众多,索恩没有预订酒店,所以他和韦斯共用一个房间,他们整晚都在讨论寻找引力波的问题。自 20 世纪 70 年代初以来,韦斯就对寻找引力波的想法着迷,而索恩并没有写过一本名为《引力》的书,在书中他表达了对探测引力波的可能性的怀疑。索恩起初并不相信,但在听到韦斯简单而天才的想法后改变了主意,这与 LIGO 的基础相同。
LIGO 是激光干涉引力波天文台的缩写。简而言之,他的工作理念是通过切割机发送激光束,将光束分成两半,其中一半继续笔直,而另一半垂直于镜子上反射的第一束,并且然后两束光束在光探测器上完全反射返回。 如果两束光束匹配,这意味着没有引力波穿过的迹象;但波长的任何轻微不平衡都意味着拉伸和压缩时空的引力波的通过,从而改变激光束的一致性并破坏干涉。

该项目由加州理工学院 (Caltech) 和麻省理工学院 (MIT) 赞助,并得到美国国家科学基金会 (NSF) 的资助。该项目于 20 世纪 80 年代初启动时,由于技术讨论和资金不足而遭受多次延误,直到完全由国家科学基金会决定成立,该基金会于 1994 年被前任主任罗克斯·E·沃格特 (Rochus E. Vogt) 取代。在物理学家巴里·克拉克·帕里什(Barry Clark Parrish)的指导下,该项目的开发被大大推迟了,他是高能物理领域的实验物理学家,在管理大型物理项目方面拥有丰富的经验。在他的新行政领导下,该项目获得了良好的财政支持。1994年底和1995年初,建成了两个天文台,一个在华盛顿州汉福德,另一个在路易斯安那州利文斯顿,相距1900公里,两个天文台于1997年底竣工。帕里什的提议反映了他通过资助两个实验室对科学管理的洞察力; 一名负责天文台的技术和工程细节,另一名负责科学研究,由韦斯领导。帕里什的理念旨在不断改进天文台的技术部分,例如:镜子的质量、镜头的聚焦、寻找成本更低、容量更大的新材料,以及为还为其他营利性科研机构从科学研究中受益并同时为项目提供资金开辟了道路。
该项目于2002年首次运行,直到2010年才观测到引力波。 因此,该项目于2010年关闭五年,以进行升级改造。事实上,无法描述一大群研究人员、工程师和程序员为了一个目标而付出的巨大努力,即提高设备的灵敏度和准确性, 为了传达宇宙信息,确保减少地面和物质噪音。

探戈舞蹈

十亿到三亿光年之外,当时地球上还没有生命,宇宙的一个角落并没有注意到我们的存在。两个黑洞在宇宙的舞台上相遇; 其中一个的质量大于36个太阳质量,另一个的质量大于29个太阳质量,就像两个探戈舞者一样,它们以惊人的速度相互缠绕,跳着迷人的宇宙之舞,直到它们合并在一起形成一个质量超过 62 个太阳质量的黑洞,而剩下的质量集中在三个太阳质量中,形成了引力波。它在时空中移动穿过我们,我们在公元 2015 年 9 月 14 日穿过它。引力波影响了我的原子、你的原子以及宇宙中每个元素的原子,它们膨胀和压缩了一定的量(也就是说,我们会在小数点右边加上二十个零,然后我们会在小数点右边加上一个一),这个量几乎是无限小的。这种由引力波引起的简单振动就是 LIGO 的想法的基础。由于通过光最美丽、最奇妙的特性之一 “干涉”来测量激光束的湍流的理想概念,可以认为 LIGO 项目是建立在一个疯狂、天才和最具想象力的想法之上的。

两个黑洞旋转产生的信号,然后它们合并在一起,最后形成最终的黑洞。

引力波对物质的影响。

“这比成真实更美丽” 这句话可以追溯到基普·索恩(Kip Thorne),他描述了当他听到引力波并看到它们的信号时的幸福感,这种信号持续了不到一秒钟。汉福德和路易斯安那州的天文台捕捉到了同一波;但科学团队花了很长时间来分析这种波浪。 因为LIGO天文台有一个秘密小组,专门发送虚假信号或脉冲,以便对实验室工作人员进行测试,并在得到管理部门确认后不再发送测试信号。天文台没有公布这一消息,并完全保密,试图确认是否还探测到其他引力波,第二次引力波实际上是在2015年12月观测到的。2016年2月11日,LIGO出面宣布了这一伟大成就,科学界一片欢呼,媒体广泛报道。为了纪念提出用激光尺度观测引力波想法的雷纳·韦斯、LIGO项目主任巴里·帕里什以及对引力波方程的科学计算做出重大贡献的理论物理学家基普·索恩以及天文台的技术贡献;他们均荣获2017年诺贝尔物理学奖。

引力波的未来 是的,当然,我想知道建造像 LIGO 这样的天文台的想法,但不是在地球上,而是在太空中。这与 Rainer Weiss 在 1975 年提出的想法相同,他想要实现它。欧洲航天局(ESA)已经采用了这个项目,该项目被命名为LISA,是激光干涉仪空间天线的缩写。这个想法是以等边三角形的形式发射三颗卫星。 这样,每颗配备镜子和光探测器的卫星都会发出激光束并同时接收它,这三颗卫星的轨道将与地球轨道对齐。选择该天空的原因是为了消除地震、火山等自然现象或施工作业产生的振动所产生的所有地面噪音。此外,观测物理上的大引力波需要探测器臂的直线距离很长,而这个目标在地球上是不可能实现的。事实上,LISA天文台的臂长估计为250万公里。该项目预计将于公元 2034 年完成。

宇宙的使者
也许人们经常问的问题仍然是:引力波将为人类提供什么?
第一、观测引力波是广义相对论结果之一的最新实验证据。今天,科学界的广义相对论凭借其五个预测,建立在科学可靠性的坚实且经过验证的基础上:
1- 光的偏转和时空的扭曲在公元 1919 年的日食中得到了证实。
2- 宇宙膨胀于公元 1929 年得到证实。
3- 黑洞于公元 1970 年得到证实。
4- 爱因斯坦环(引力透镜)于公元 1998 年被观测到。
5- 公元 2015 年观测到引力波。
第二、我们观测到第一个引力波四年后,观测到了23个已证实的引力波,其中20个是黑洞合并产生的,两个是中子星合并产生的,一个来自黑洞和中子星的旋转,后一种现象在宇宙物理学中是全新的。麻省理工学院的科学家 Mavalfla 描述了她对公元 2018 年至 2019 年期间天文台仪器的巨大改进所感到的惊讶,她说: “引力波场爆炸了” [7]。到2023年,预计每小时都会观测到引力波。这将把理论物理学和宇宙学带向观察和数值相对论的道路。
第三、量子计算领域的发展将有助于研究和分析许多关于黑洞的位置、质量和速度的复杂方程,并将其应用到广义相对论方程中。这是引力波和精确观察和技术应用之间的互惠互利的关系。
第四、宇宙学面临的最大谜团是超大质量黑洞是如何在星系中间形成的。解决这个谜团将有助于我们了解星系是如何形成的。此外,我们有能力探测传播 13 亿光年的引力波,这意味着我们即将观测到宇宙中最重要、最大的引力波。这是大爆炸后立即发生的波。
第五、人类的这一伟大成就减轻了对滥用向科研机构提供的资金的怀疑,它建立了更大的信心来资助和支持它,这确实是 LIGO 天文台管理层通过开发设备的灵敏度系数并将其从两倍提高到四倍或六倍而采取的措施。另一方面,各国竞相建设天文台,如今,世界各地新增了五个天文台:法国、意大利、荷兰、日本和印度。多个观测站及其不同位置的好处使我们能够更准确地确定引力波的来源和引起引力波的质量。
第六、引力波是宇宙的使者,可以解码许多宇宙现象,例如:黑洞、白矮星、超新星,它还测试了宇宙学领域的理论,例如:暗能量、暗物质、量子引力以及我们对宇宙的有限知识的天空中的许多乌云。引力波甚至有可能成为我们发现以前不知道的新现象的方式,例如俄罗斯水手阿纳托利的船。
参考文献:
- 这是最近在社交网站上流传的一个真实的故事,一位捡到瓶子的美国老师通过这些网站查出了这条信息是谁发的。
- 我建议阅读我的文章:狭义相对论和广义相对论:https://mana.net/archives/1758
- 1905年7月5日,法国科学院Comptes Rendos发表了亨利·庞加莱的文章,题为 “电子动力之上。”
- 我们从 1916 年 2 月 19 日他写给同事卡尔·史瓦西 (Karl Schwarzschild) 的一封信中得知了这一点,他在信中证实了引力波的不存在。
- 阿瑟·爱丁顿关于引力波的论文:https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rspa.1922.0085
- 赫尔曼·邦迪:奥地利数学家和宇宙学家,对广义相对论的发展做出了贡献。
- Nergis Mavalvala:麻省理工学院天体物理学家,在探测第一个引力波的团队中发挥了重要作用。
REFERENCES:
- A Brief history of gravitational waves. Jorge Cota; Salvador Galindo;Georg Smoot. September 2016.
- The Gravitational-Wave “Reveolution” is underway. September 2019, https://www.scientificamerican.com/article/the-gravitational-wave-revolution-is-underway/
- https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170104
- Gravitational Waves: A New Era of Astronomy Begins; 22/06/2016, https://www.youtube.com/watch?v=xj6vV3T4ok8
- The Future of Gravitational Wave Astronomy; 9/08/2019, https://www.youtube.com/watch?v=jKrOy4mC4wg
- The Future of Gravitational Wave Astronomy; 25/06/2017, https://www.youtube.com/watch?v=eEaaGTV0V2Y

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