施郁:引力波猎手

2018-09-06 11:18 来源:《科学文化评论》 作者:施郁

 Hunters of Gravitational Waves

  作者简介:施郁,复旦大学物理学系教授。

  原发信息:《科学文化评论》第20181期

  内容提要:第一部分是作者于2017年9月21日对第二届复旦-中植科学奖的科学背景介绍,包括对三位获奖者对引力波探测突出贡献的简要评述。正是这三位获奖者12天之后获得了诺贝尔物理学奖。第二部分是作者在诺贝尔物理学奖宣布3天前对可能获奖人的评述。最后,将前两部分与诺贝尔物理学奖的官方新闻发布略作比较,并讨论了引力波探测的后续成果。

  The first part of this article is the scientific introduction the author made in the news conference of the Second Fudan-Zhongzhi Science Award on September 21,2017,including the brief commentary on the three awardees' crucial contributions to gravitational wave detection.The three awardees shared the 2017 Nobel Prize in Physics 12 days later.The second part of this article is the commentary the author made 3 days before the announcement of the Nobel Prize.Finally,abrief comparison is made between these two parts and the official news release of the Nobel Prize in Physics,and the subsequent achievements in gravitational wave detection are discussed.

  关键词:引力波/LIGO/时空复旦-中植科学奖/诺贝尔奖/gravitational waves/LIGO/spacetime/Fudan-Zhongzhi Science Award/Nobel Prize

 

  本文第一节原载于“知识分子”微信公众号(2017-09-22),是作者9月21日在第二届复旦-中植科学奖新闻发布会上所作的科学背景介绍,见[1];第二节原载于“果壳科学人”微信公众号(2017-09-30),见[2]。经作者修订补充后发表。

  一、三位引力波猎手,获第二届“复旦-中植科学奖”

  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。

  引力波以光速向四周传播,经过13亿年在各个方向的长途跋涉,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,现代人类只有20多万年的历史。100多年前,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)声称宇宙中存在引力波。2002年,激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,缩写为LIGO)开始工作,13年后探测到代号为GW150914的引力波,事实上,在这个引力波到达的两天前,升级后的LIGO刚开始工作,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。

  波是某种振动的传播,如水波、声波等。顾名思义,引力波就是“引力的波”。引力波超越了牛顿引力理论。

  300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。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。

  

  图1 第二届“复旦-中植科学奖”授予对引力波探测作出突出贡献的三位科学家,依次为雷纳·韦斯、基普·索恩、巴里·巴里什

  然而爱因斯坦1905年创立的狭义相对论指出,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。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。

  十年之后,爱因斯坦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,由此决定物质的运动。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。”物质之间的引力,需要时间来传递。

  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。

  1916年,爱因斯坦根据广义相对论,预言了引力波。

  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。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(图2)。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。因为牛顿力学中没有引力波,所以引力波的观测也就验证了广义相对论。

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(责任编辑:李秀伟)
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