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时空中的涟漪:从爱因斯坦到 LIGO 再到更远的地方

天文物理  · 公众号  · 物理  · 2018-01-06 21:49

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这幅图像显示了引力透镜效应,因为时空被质量扭曲了。爱因斯坦的理论与牛顿的理论有很大的不同。图片:NASA, ESA, and Johan Richard (Caltech, USA); Acknowledgements: Davide de Martin & James Long (ESA/Hubble)


广义相对论并不总是我们的引力理论,它必须推翻牛顿万有引力定律。时空的涟漪描述了这是如何发生的,历史上和科学上关于弯曲的时空如何做出明确的预测,牛顿引力没有。这不仅仅局限于星光的弯曲,还包括所有的空间本身可以扭曲、扭曲、变形和延迟。讨论了日食和水星的进动,但也讨论了大地效应和框架拖曳。还有一个有趣的事实,爱因斯坦自己也纠结于引力波是否真的存在,或者仅仅是数学的产物。这也是一个强烈的提醒:不管一个人有多聪明,他们从来没有把一切都做对,知道一切。

当两颗中子星相互环绕时,爱因斯坦的广义相对论预言了轨道衰变和引力辐射的发射。对这种效应的观察(黑点)与理论预测(红线)非常吻合。图片:NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer


时空的涟漪远远超出了你在过去几年里听到的引力波的故事。坍缩的天体物理现象,如白矮星和中子星也被讨论过。在双星系统中,脉冲星的轨道衰变被证明是对引力辐射的第一个间接验证并详细讨论。还讨论了直接和间接探测引力波的尝试,例如大的“条形探测器”探测器或者在宇宙微波背景中寻找特定的偏振信号。约瑟夫•韦伯(Joseph Weber)和他的开创性(但最终是有缺陷的)工作和壮观但有缺陷的BICEP2结果,并不是失败而是学习经验,这些经验在今天仍然具有科学价值。

在它的核心像LIGO或LISA这样的系统只是一种激光,通过光束分裂器发射,发射出两种完全相同的垂直路径,然后再组合成一个干扰模式,随着臂长度的变化,图案也随之改变。图片:LIGO collaboration


最后像LIGO这样的现代引力波天文台的概念和执行,都是在引人入胜的细节中发展起来的。介绍了干涉测量法,提出了一种可行的、理论上可检测的系统和振幅的概念。

计算机模拟两个合并的黑洞产生引力波。图片:Werner Benger, cc by-sa 4.0


这对那些对LIGO的检测持怀疑态度的人尤其感兴趣。LIGO的设计灵敏度到底有多大?他们怎么能知道他们看到的是真的呢?他们有多大的信心能检测到他们声称发现的东西?这些问题的答案非常清楚,在引力波天文台的历史和它们的发展过程中给出了无数的例子。读完这个故事后你所有的疑虑都该没有了。

引力波波动的形状是无可争议的,但波谱的大小完全依赖于模型。最大幅度的可能性是BICEP2敏感的范围,但未来的观测和实验可能揭示出一个信号,如果较弱的可能性描述了我们的物理宇宙。图片:普朗克科学团队


你会注意到时空中涟漪的一个最显著的特点就是故事的独特性。这本书本身研究得很好,作者以老式的方式来做这件事:首先去拜访那些有助于创造这一历史的科学家和历史人物,科技是一个坚实的基础;没有甚至一个著名科学家的意见,实际上科学事实混为一谈。虽然有丰富的历史,重点始终是科学调查和发现的故事(或者有时候没有发现,这也同样有趣!)

约瑟夫·韦伯的早期引力波探测器,韦伯的错误探测是一个更大的故事的一部分,最终导致了真正的引力波的发现。图片:Special collections and university archives, University of Maryland libraries


有一些小的硝石可以被发现。书中暗示在爱因斯坦提出狭义相对论之前,闵可夫斯基发明了时空概念相反的是正确的。很多空间都致力于失败的实验,有两个完整的章节将会涉及到BICEP2的结果。还有一些奇怪的疏漏。对于约瑟夫•韦伯(Joseph Weber)提出的所有细节,他忽略了微波专家乔治•伽莫夫(George Gamow)对“大爆炸之父”(George Gamow)能否利用他的专业知识来帮助他的故事。虽然伽莫夫回答说“不”,但事实是设计一种探测宇宙微波背景的方法是非常合适的!

物理学家格伦·雷布卡(Glen Rebka),在哈佛大学杰斐逊大厦(Jefferson Towers)著名的普里-瑞贝卡实验的设置过程中打电话给庞德教授。图片:Corbis Media / Harvard University







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