解密引力波

夏楊

2016年2月27日，由未來論壇、清華大學(xué)“新世界-新視野”公眾論壇、清華大學(xué)時(shí)代論壇聯(lián)合主辦的“解密引力波——時(shí)空震顫的漣漪”講座在清華大學(xué)大禮堂舉行。加州理工學(xué)院物理學(xué)教授、美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士、LIGO（激光干涉引力波觀測(cè)站）科學(xué)合作組織核心成員及引力波論文作者之一陳雁北教授為我們帶來目前最為權(quán)威的引力波講座。讓我們一起來回顧一下陳雁北教授的演講吧！

講到引力波，開始要談到的是時(shí)空這一概念。愛因斯坦理論中的引力是這樣的：如果有一個(gè)有質(zhì)量的物體，把它放在時(shí)空中，它就會(huì)讓時(shí)空彎曲。

引力波是廣義相對(duì)論的一個(gè)推論

1916年，愛因斯坦在他的廣義相對(duì)論中第一次提出引力波。從類比的方法來看，引力波很相似于水面上的波動(dòng)。當(dāng)水面震蕩的時(shí)候，它的震蕩會(huì)以水波的形式傳播出去。類似的，時(shí)空幾何的振蕩也會(huì)以引力波的形式傳播。不同的是，在愛因斯坦方程中，引力波是按照光速傳播的。

引力波對(duì)物質(zhì)的作用是怎樣的？

可以類比水波的圖像。水波有一個(gè)波長(zhǎng)，考慮在半個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的浮在水面上的船。這些船隨著水波上下運(yùn)動(dòng)，距離比較近的船，它們由水波導(dǎo)致的高度差就比較小，而距離比較遠(yuǎn)的船，由水波弓起的高度差就比較大。引力波也是很類似的現(xiàn)象，當(dāng)兩個(gè)自由下落的物體，發(fā)生引力波入射的時(shí)候，這兩個(gè)物體之間的距離會(huì)產(chǎn)生變化。

更詳細(xì)地說：引力波是一個(gè)橫波，它影響的是跟引力波傳播方向垂直平面之內(nèi)的距離。沿著引力波方向的距離是沒有變化的。垂直于引力波傳播方向的平面上的物體，它們之間的距離會(huì)按一定規(guī)律變化。

引力波為什么在地面很難產(chǎn)生？

科學(xué)家曾考慮，引力波的物理效果是否可以被觀測(cè)到？通過愛因斯坦的計(jì)算，他認(rèn)為引力波是非常難產(chǎn)生的現(xiàn)象。產(chǎn)生足夠大的引力波需要非常大質(zhì)量的或者是非常高能量的物體以非常快的速度運(yùn)動(dòng)。

舉例來講，人類能制造的最大能量加速度可能就是氫彈的爆炸。假設(shè)歷史上最大的一顆氫彈的爆炸，把它的能量全部轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，用這個(gè)動(dòng)能來輻射引力波，可以發(fā)現(xiàn)在爆炸附近1米處的物體引力波的振幅是10^-27，是非常微小的現(xiàn)象。連氫彈爆炸都不能產(chǎn)生足夠大的引力波，這就說明引力波是很難在地面上產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。

LIGO的儀器有多靈敏？

上世紀(jì)90年代，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助了世界上第一個(gè)大規(guī)模的引力波探測(cè)項(xiàng)目，所謂的LIGO。LIGO有兩個(gè)非常大的探測(cè)器，一個(gè)在美國(guó)的利威斯頓，一個(gè)在美國(guó)的漢佛。

探測(cè)器的靈敏度可以測(cè)量到10¹⁸米的長(zhǎng)度。這個(gè)長(zhǎng)度是什么概念呢？

如果將頭發(fā)絲的細(xì)度降低1萬倍，就是氫原子的直徑，再減少10萬倍，就是氫原子核的直徑。而LOGO探測(cè)器可探測(cè)到的長(zhǎng)度是氫原子核大小的1/1000，所以說LIGO探測(cè)器是非常靈敏的儀器。

LIGO探測(cè)器發(fā)現(xiàn)引力波

利用這個(gè)裝置，在2015年9月14日，我們用這兩個(gè)探測(cè)器分別發(fā)現(xiàn)了引力波。

我們分析出引力波事件是由兩個(gè)黑洞碰撞導(dǎo)致的。它們兩個(gè)的質(zhì)量是36倍和29倍的太陽質(zhì)量，最后形成的黑洞是62倍的太陽質(zhì)量。通過波振幅的大小可以推算出黑洞撞擊地點(diǎn)離地球的距離是13億光年。

通過這個(gè)波形，也對(duì)廣義相對(duì)論的推論進(jìn)行了初步檢驗(yàn)。

地面引力波探測(cè)還能發(fā)現(xiàn)哪些事件？

除了雙黑洞的碰撞過程，地面引力波探測(cè)還可以探測(cè)各種各樣的天文事件，比如雙中子星的碰撞過程。

中子星也是很致密的星體，是很大質(zhì)量的恒星燃燒盡以后形成的黑洞。比較大的星體演化的末態(tài)就是中子星。在LIGO看到雙中子星碰撞的過程，對(duì)我們理解中子星的結(jié)構(gòu)，探索伽馬射線暴的根源是有指導(dǎo)性的。

另外，旋轉(zhuǎn)的單個(gè)中子星，如果它不完全是球形的話，也是會(huì)發(fā)出引力波的。

LIGO還可以探索宇宙弦系統(tǒng)，也可能對(duì)宇宙大爆炸開始時(shí)產(chǎn)生的原初引力波背景進(jìn)行探索。

今天的引力波探測(cè)只是一個(gè)起點(diǎn)

未來，我們會(huì)有多波段的引力波探測(cè)，說明今天的引力波探測(cè)不但是廣義相對(duì)論和黑洞的直接驗(yàn)證，也可以說是新的天文學(xué)觀測(cè)手段。

知識(shí)鏈接

地球圍繞太陽運(yùn)動(dòng)會(huì)輻射引力波，在地日系統(tǒng)中，由于太陽幾乎不動(dòng)，地球就會(huì)以被拉向太陽的方式損失能量。那么，我們?cè)摬辉摀?dān)心地球在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)由于輻射損失掉進(jìn)太陽呢？

答案是不會(huì)。地球圍繞太陽運(yùn)動(dòng)中，由于引力波輻射損失的能量，只有一臺(tái)市面上功率最小空調(diào)的1/4的功耗，相當(dāng)于一臺(tái)洗衣機(jī)的功率。因此，如果地球靠輻射引力波損失能量落入太陽，需要的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙的年齡！