施郁:引力波打开了观测宇宙的一个新窗口

原标题:施郁:引力波打开了观测宇宙的一个新窗口

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19221113日,爱因斯坦从北外滩码头登陆上海,接到通知,自己获得了1921年度诺贝尔物理学奖。但这个诺奖,瑞典皇家科学院只考虑他对理论物理,特别是光电效应定律的工作,而没有考虑他的相对论与引力理论在未来得到证实之后的价值

整整95年后,20171112日,施郁教授站在建投书局·上海浦江店的“JIC讲堂上,告诉我们这段往事,并手指窗外说当年,爱因斯坦就站在那里,向我们这里走来。此时,距离爱因斯坦建立广义相对论并以此预言引力波已过了100年,引力波刚被证实存在,发现者还斩获了2017年诺贝尔物理学奖。

百年光影在那一霎,交汇重生。

| 上世纪90年代的北外滩(资料图片)

JIC讲堂第二季第十六期

从爱因斯坦到引力波

百年征程的启示

主讲人:施郁

复旦大学物理学系教授

理论物理博士生导师

全国量子力学研究会副理事长

从2017年诺贝尔物理学奖说起

| 本期“JIC讲堂主讲人:施郁

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最近引力波再掀热潮,是因为2017年诺贝尔物理学奖授予了为激光干涉引力波天文台(LIGO)以及引力波的观测做出决定性贡献的三位科学家:雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、巴里巴里什(Barry Clark Barish)和基普·索恩(Kip Thorne)。

但除了这三位获奖者外,还有一位科学家罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)对LIGO的稳定性也作出过重要贡献,不幸的是,德雷弗几年前得了一种老年痴呆(dementia),并于今年3月去世。而诺贝尔奖只颁给在世者。

为什么探测到引力波就能立即获得诺贝尔物理奖呢?

施郁教授把时间往回300年,从源头为我们娓娓道来。

从牛顿到爱因斯坦:时空观的演变

三百多年前,艾萨克·牛顿(Isaac Newton)说,任何两个有质量的物体之间存在万有引力,而且这个引力是瞬时的,也就说,物体之间引力的传递不需要时间。

| 艾萨克·牛顿(Isaac Newton)

牛顿解释了为什么地球围绕太阳转,为什么树上的苹果会落地。牛顿力学代表了绝对时间和绝对空间的观点,时间和空间独立,与物质无关,只是万物的舞台。莱布尼兹、柏克莱主教,或许乃至牛顿本人,觉察到瞬时作用的缺点,但是由于时代局限性,当时只能如此。

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1905:爱因斯坦奇迹年

1905年爱因斯坦写出了光量子假说(含光电效应理论)、测量分子大小的方法、布朗运动、狭义相对论和相对论质能关系五篇重磅论文。

| 当时还是瑞士伯尔尼专利局三级技术专家的爱因斯坦

他在狭义相对论中指出,光速在速度不同的惯性参照系中都是一样的,在相互匀速运动的不同观察者看来,同一事件的时间坐标和空间坐标都不一样,但是总的时空间隔保持不变。任何信号的传递不可能超过光速,时间和空间成为整体,称为时空。

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1915:爱因斯坦创立广义相对论

1907年,爱因斯坦想到一生最愉快的想法:自由下落的人感受不到引力,即引力和加速的等效。后来,他又将引力纳入相对论的框架,创立广义相对论,指出万有引力就是时空的弯曲,由此影响物质的运动,物质之间的引力需要时间来传递。用索恩的导师、美国著名物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)的话说,物质告诉时空如何弯曲;弯曲的时空告诉物质如何运动。

这就好比在席梦思床垫上,一个物体引起床垫变形,变形向四周传递,导致另一个物体受力情况的改变,似乎受到前一个物体的吸引力。这个床垫扮演了类似时空的角色。从相对论的角度来看,质量和能量是等效的。

| 时空弯曲示意图

但广义相对论的发展也并非一帆风顺。1915年11月,爱因斯坦与大数学家希尔伯特在短短一个月里之间经历了紧张的竞争。最后,爱因斯坦在第三个报告中给出了正确的水星近日点进动率(43”/世纪)和光线在太阳附近的弯曲(1.7”)!爱因斯坦因激动而心悸,而且“兴奋激动了好几天”,25日最后一次报告,他写下了引力场方程最后形式。

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爱因斯坦的预言

1916年3月,爱因斯坦总结了广义相对论3个预言:引力红移、光线弯曲、水星进动。1916年6月,爱因斯坦根据广义相对论,预言了引力波。当时爱因斯坦还计算了引力辐射能量(但是有错,正确的结果是到1918年给出的)。

完成引力波论文后,爱因斯坦又回到了量子论。他提出量子电磁辐射理论,并完善了他1905年的光量子说(光由光量子组成,每个光子的能量由频率决定),提出光子的动量也由频率决定。 这给后来的量子电动力学和量子光学打下基础。 也为后来的激光打下理论基础。

1919年日食期间,英国天文学家爱丁顿和克雷姆林在巴西和西班牙观测到远处恒星的光在太阳附近的弯曲(日食使得星光不被阳光淹没),正如广义相对论所预言。这个事件引起全世界的轰动,比如泰晤士报报道:“科学革命,宇宙新理论,牛顿理论被推翻”。正是这个事件使爱因斯坦成为家喻户晓的人物。

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现代社会与科学技术中的爱因斯坦元素

20世纪物理学有两大支柱——相对论与量子论,施教授用一个清单为我们直观地呈现了爱因斯坦的贡献:

1)相对论

狭义相对论: 爱因斯坦,1905

广义相对论: 爱因斯坦,1915

2)量子论

最初提出量子(不彻底):普朗克

光量子:爱因斯坦,1905

原子结构:玻尔, 1913

量子电磁辐射理论:爱因斯坦,1916

量子力学:海森堡、薛定谔、狄拉克等,1925-1927

量子纠缠:爱因斯坦等,1935

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关于爱因斯坦在物理学上的地位评价,施郁教授还借用他与杨振宁先生的讨论来阐述:

施郁:您认为爱因斯坦(而非麦克斯韦)是仅次于牛顿的伟大物理学家。我也这样认为。您能不能简单说说您的理由?

杨振宁:麦克斯韦是一位伟大的物理学家,他对人类的贡献怎么说都不为过。但是从对物理学基本概念的贡献的角度来说,他不能与爱因斯坦相比。爱因斯坦主要有三大成就: 1)改变了我们对于时间和空间的理解,从而给理论物理带来对称性的概念和对称性支配相互作用的思想; 2)创造了引力的几何概念; 3)帮助创立了量子力学。

引力波及其探测

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引力波是什么?

波是振动的传播,比如水波、声波等等。顾名思义,引力波就是“引力的波”。引力源质量分布的改变,导致它对其他物体引力的改变,这种改变以光速传播开来,就是引力波。

打个比方,水面上两点之间沿着水面的距离,会被水波改变,如果将水面类比于我们所处的时空,那水波就是引力波,既然引力是时空弯曲,那么引力波也就是“时空的涟漪”,即时空弯曲情况随时间变化、在空间传播。

引力波到达之处,在垂直于传播方向的平面上,任何长度都会振荡,而且在互相垂直的任意两个方向上步调相反。引力波的探测也验证了广义相对论。

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为什么引力波很难被探测?

通常物体间的引力很弱,一般情况下产生的引力波更微不足道,因此引力波的产生还需要源的质量分布改变满足一定条件。而宇宙天体的质量巨大,所以它们之间的引力很大。理论表明,引力波主要来自宇宙中的超新星爆发、中子星、黑洞等致密天体以及宇宙大爆炸。

但引力波很难直接探测,因为最强的引力波传到地球时,导致的相对长度变化也只有0.0…01(其中小数点后面有21个0)。也幸亏如此,否则人类或许就不存在了。

就算是爱因斯坦本人,也曾对“引力波”的存在动摇过。1936年,移居美国的他与助手罗森曾写过一篇关于引力波不存在的文章,投到《物理评论》,被审稿人指出错误,要求修改。爱因斯坦一怒之下,改投《富兰克林研究所学报》。但是发表时,在同事罗伯森的帮助下,文章已经修改成关于一种圆柱形引力波。2005年,人们才知道,罗伯森就是那个审稿人。

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引力波探测的尝试

1950年代,皮拉尼(F. Pirani)、邦迪(H. Bondi)、费曼(R. Feynman)等人证明,引力波携带能量,是真实的,而且可以被真实测量,比如可以让小球运动。

韦伯(Joseph Weber)迈出了实验的第一步。他使用铝圆柱,即所谓“韦伯棒”作为探测器,希望引力波引起共振,就好比用音叉测量声音。他后来还用相距1000公里的两个探测器,以排除只影响单个探测器的因素。这个思想后来被LIGO采纳。1969年韦伯声称他的两个韦伯棒发现了引力波。但是无人能重复。韦伯坚持工作到2000年去世。他的主要贡献在于开启了引力波实验。LIGO宣布发现时,特别邀请他的遗孀前排就坐。

但韦伯只能猜测引力波的频率,而韦伯棒的频率是固定的。在施郁教授看来,这就像用一个渔网捕鱼,而不知道水里的鱼的尺寸是比网孔小,还是太大而进不了网。

| 韦伯正在进行“引力波”实验

1974年,天文学家拉塞尔•赫尔斯(Russel Alan Hulse)和约瑟夫•泰勒(Joseph Hooton Taylor)发现引力波导致一个中子星和与之互相环绕的伴星之间的距离越来越小,因此获1993年诺贝尔物理学奖。但是,这只是间接证明了引力波的存在。 直到2015年,引力波还没有被直接探测到。

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LIGO的工作原理

LIGO(激光干涉引力波天文台,全称Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory )。

LIGO的探测原理基于激光干涉,它的可测频率有一个范围。LIGO包括两个同样的探测器,它们相距3002公里,分别位于美国华盛顿州与路易斯安那州。两个探测器共同工作,可排除其他信号,比如地震。

| 两个独立的相距3002公里的巨大的迈克尔孙激光干涉仪

每个探测器是一个巨大的迈克尔逊干涉仪,有两个互相垂直的、约4公里长的臂,构成L形。一束激光分成两束,分别进入两臂。在每个臂中,激光被两端的镜子来回反射多次。最后两束激光再叠加起来,这就是干涉。叠加(干涉)以后的光强决定于两臂长度差,所以用来测量两臂长度差。

引力波经过探测器时,每个臂的长度都时长时短地振荡,而且步调相反,一个臂变长时,另一个变短。通过两臂长度差的振动可以推算引力波的性质。

|LIGO探测引力波的原理示意图

LIGO测到,干涉仪的臂发生了0.0……04米的长度改变(小数点后面18个0)。作为人类历史上最精密的测量,LIGO的测量技术与量子物理相关。

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LIGO的历史:从个人自由探索到大科学

引力波干涉仪最早只是物理学家们单打独斗。最初的成功可以追溯到麻省理工学院的韦斯1972年的报告,其中分析了引力波干涉仪的各种背景噪声,包括来自地震、引力场梯度、真空管热梯度、镜子及其悬挂索的热燥声、激光输出功率的变化、激光频率的不稳定、镜子的压强反冲、激光的颗粒噪声,乃至地磁和宇宙线的可能效应。当时这个干涉仪的目标是来自脉冲星的引力波,韦斯估计它的长度约1公里。1974年,韦斯申请美国科学基金会(NSF)自助,将他1米长的原型改为9米长。

当时,德雷弗等人在英国格拉斯哥大学造了一个1米长的干涉仪,后来改进为10米长,且包含法布里—珀罗腔。德国H.Billing等人造了个3米长的,后来改进为30米。两家后来合作,建造了汉诺威附近的600米长的GEO600,并与LIGO合作。

1970年代,加州理工学院的索恩的研究组作了很多理论工作,包括预言各种引力波源的信号以及分析工具。1970年代后期,索恩说服学校建立实验组,引进德雷弗,与S. Whitecomb一起领导实验工作。加州理工学院也有了一个干涉仪原型。

1980年代早期,NSF资助这两家干涉仪原型,并资助韦斯设计几公里长的探测器。韦斯的这个“蓝皮书”表明了可行性,建议建造相距几千公里的两个5公里长的干涉仪。

1984年,LIGO项目开始,由韦斯、德雷弗和索恩领导,总部在加州理工。他们3人一起工作多年。NSF后来聘请R. Vogt任主任,1990年批准用30亿美元建造现在的LIGO,1994年聘请巴里什为主任。巴里什将LIGO转化为一个大的国际合作计划,1997年建立LIGO国际合作组织(LSC),领导了两个探测器的建造,以及2002年和2005年的运行。2005年,巴里什开始领导国际线性加速器。

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LIGO中的爱因斯坦元素

1916年,爱因斯坦根据他的广义相对论预言了引力波,黑洞的理论也是基于广义相对论。LIGO的原理基于激光的干涉,而激光是基于爱因斯坦1916年的量子电磁辐射理论。LIGO的技术也与爱因斯坦1905年提出的光量子(光子)概念相关。LIGO技术中重要一点是克服噪声,这又与爱因斯坦1905年提出的布朗运动理论相关。

此外,引力波首次被直接探测,是对爱因斯坦两方面工作的一百周年纪念,一方面是广义相对论和引力波,另一方面是量子电磁辐射理论。

引力波的发现及未来

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引力波的发现

美国当地时间2016年2月10日,LIGO合作组宣布,他们于2015年9月14日探测到了引力波,它来自一个质量为36太阳质量的黑洞与一个29太阳质量的黑洞的碰撞,然后并合为一个62太阳质量的黑洞,丢失的3太阳质量转化为引力波的能量。“太阳质量”是天体质量的单位,1个太阳质量意思就是说,它的质量等于太阳的质量。这个工作也证明了黑洞的存在。

| 测量信号:应变(strain),即两臂长度差的变化除以原来长度

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引力波之旅

13亿年前,宇宙中有两个黑洞相互碰撞,而且并合成一个大黑洞,发出引力波。这就好像一个石子扔到水中,涟漪向四周扩散。引力波以光速向四周传播,这是宇宙中最快的速度。经过13亿年在各个方向的长途跋涉,这个引力波于2015年9月14日穿过诞生于45亿年前的地球。

在地球上,人类的演化历史,也只不过200多万年。仅仅在100年前的1916年,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)预言宇宙中存在引力波。

上世纪70年代,科学家开始发展探测引力波的技术。2002年,LIGO开始工作。而在这个引力波到达两天前,升级后的LIGO刚开始测试性工作,9月14日恰好捕捉到它,这是人类第一次直接探测到引力波。根据日期,这个引力波代号为GW150914。

| 迄今已公布4次黑洞并合导致的引力波,前三次是LIGO单独探测到的,最新一次是LIGO和VIRGO一起发现的

| VIRGO(giant laser interferometer designed to detect gravitational waves)意大利和法国造,欧洲合作运行,位于比萨附近,臂长3公里。经过升级后,8月1日起与LIGO共同工作了4周

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引力波发现的意义及对未来世界的遐想

施教授表示,作为人类历史上最重大的发现之一,LIGO探测到的引力波,意义不仅在于直接验证广义相对论预言的引力波的存在,还在于开启了对强引力以及黑洞的直接观测,打开了认识宇宙的一个新窗口。在这之前,我们关于宇宙的信息来自宇宙中传来的电磁波和粒子,而引力波带来了主宰宇宙的引力的直接信息。引力波天文台与传统天文望远镜协同观测中子星并合,也标志着多信使天文学的开始。

关于引力波对未来世界的影响,施教授分为“不远的未来”和“遥远的未来”两部分预测:

在不远的未来,人类对引力波的研究会导致物理学、天文学大发展,而引力波探测技术将促进精密测量、量子技术、量子物理的进步。

从遥远的未来考虑,人类将可能更自如地以宇宙为环境,正如现在以地球为环境,因为在宇宙尺度上,引力是最重要的,所以会有现在想象不到的各种应用;在宏观和宇观尺度上,引力波是电磁波之外唯一的基本力场的波,所以或许引力波在遥远未来的应用,类似于现在电磁波的应用改变了世界;到那个时候,为了各种目的主动操控巨大质量以发射引力波、用引力波通信等,是可能的。

— 完 —

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