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    引力波,給茫茫宇宙帶來「遠古的呼喚」

    最近迷上了「引力波」,這個高大上的名字。瞬間感覺,茫茫宇宙中,冥冥中註定我們和遙遠的星球,有着某種聯繫。把過去和未來,時間和空間糾纏在一起,它伴隨着我們再茫茫宇宙中旅行。

    2017年諾貝爾物理學獎頒給你LIGO合作組織的三位主要成員:分別是雷納▪韋斯,巴里▪巴瑞希,基普▪索恩。

    引力波,給茫茫宇宙帶來「遠古的呼喚」

    原初引力波是愛因斯坦於1916年發表的廣義相對論中提出的,它是宇宙誕生之初產生的一種時空波動,隨着宇宙的演化而被削弱。科學家說,原初引力波如同創世紀大爆炸的「餘響」,將可以幫助人們追溯到宇宙創生之初的一段極其短暫的急劇膨脹時期,即所謂「暴漲」。

    引力波,給茫茫宇宙帶來「遠古的呼喚」

    01 那麼問題來了引力波是個啥?

    如果把我們的宇宙比作一座巨型公寓樓的話,那麼裡面各種完全不同的物質就好比是脾氣完全不同的租客,怎樣能讓這些「租客」們和睦共處呢?

    這座宇宙公寓樓給出了四條最基本的規定,所有租客都必須按照這四條基本規定來。是的,這就是宇宙中最基本的四種相互作用:「引力相互作用,電磁相互作用,強相互作用和弱相互作用」。

    引力波,給茫茫宇宙帶來「遠古的呼喚」

    這四種相互作用,也被稱為「自然界四力」或者「宇宙基本力」。直到今天為止,宇宙中任何被觀察到的,一切關於物質的物理現象,在物理學中都可藉助這四種基本相互作用的機制,來進行描述和解釋。

    這四種相互作用中,電磁力、強力、弱力這三種都在上世紀中期時就已經被探測並證明存在了,只有引力的作用一直存在於理論中,關於它存在的證據:引力波,卻一直沒有被發現。

    why?

    因為引力作用實在是太弱小了。按照四種基本力的相對強度:如果把引力的強度定為1的話,那麼,哪怕名字裡帶個「弱」的弱力,都有10的25次方那麼強大。而電磁力和強力則分別為10的36次方和10的38次方那麼大。

    所以不比不知道,一比就會發現,引力波的作用實在太微弱了。

    那麼,引力波到底是個怎樣的波呢?

    在愛因斯坦的《廣義相對論》中,我們可以用一種比較形象的方式來解釋:時空的彎曲,或者說,是帶質量的物體進行加速度運動而產生的波。

    如果把時空想象成一張巨大而平整的沙發,那麼你坐在沙發上,重量自然會導致沙發凹陷。如果在你旁邊放一個小球的話,那麼小球也會因為你的重量滾向你所造成的凹陷中。

    並且,體重越大的人,對沙發製造的凹陷也越大,效果也越明顯(放心吧,眠眠不是叫你們減肥……)。

    另外,如果把你坐上沙發的那一瞬間,通過超高速攝影一幀一幀慢放的話,你會發現你對沙發製造的那個凹陷,是逐漸從內向外擴散的,這種擴散呈現出一種波動形式。

    如果用更明顯的例子的話,當你把一顆石子投入平靜的湖水中,會在石子入水的地方為中心,產生一圈一圈的漣漪。這種漣漪,就和引力波的作用有着異曲同工之妙。

    顯然,如果以宇宙時空作為背景,那麼一個石頭,或者是一個人所造成的引力波,幾乎可以忽略不計了。更不用說被遠隔着幾十億光年之外感知到了。

    引力波,給茫茫宇宙帶來「遠古的呼喚」

    這就是說,只有那些龐大到不可思議的天體,在產生驚天動地的天文現象時,所釋放出的引力波,才能大到被遠隔十數億光年之外的我們捕捉到。

    比如,超新星爆發所產生的引力坍縮和伽馬射線暴,比如FAST前陣子發現的脈衝星,比如雙星系統的合併,像雙黑洞的合併(去年那次),或是雙中子星的合併,也就是昨天剛剛發布的這次引力波觀測事件的起源。

    02 怎樣捕捉引力波?

    事實上,即便是黑洞合併這樣震驚宇宙的大事件,所產生的引力波信號抵達地球時,其強度也已經微小到微乎其微。

    究竟有多小呢?

    引力波振幅的數量級在10的負21次方以下,只有氫原子的100億分之一大小。

    振幅小到這個尺度的波動信號,不要說蝴蝶振動一下翅膀,就是蝴蝶放個屁都相當於一場海嘯……

    那麼黑科技LIGO是怎樣捕捉到引力波的呢?

    LIGO的全名是Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,中文意思是激光干涉引力波天文台。是的,從名字里就能看出,LIGO之所以能捕捉到引力波,所運用到的就是光的干涉原理。

    干涉原理雖然是初中物理知識,但相比很多人都忘了,沒事我再幫大家回憶下,兩束光波在傳播時如果互相重疊,就會出現新的波形。如果是峰谷疊加的話,新波形就會更強(下圖左),如果峰谷相抵的話,新波形甚至會消失(下圖右)。

    體現在光強上,最亮的地方會超過原先兩束光的光強之和,而最暗的地方光強有可能為零,這種光強的重新分布被稱作「干涉條紋」。

    在引力波的影響下,就會出現微小的光波波形變化,這時光探測器就能感應到干涉條紋的變化。最理想的狀態就是從無到有,原本是完全互相抵消的,如果被引力波影響,就會形成干涉波形圖樣。

    看起來似乎矮油,不錯哦,然而實際操作起來卻非常非常困難。因為地球上本身存在太多的電磁噪音干擾,這些干擾本身比引力波要大得多。這怎麼解決呢?

    除了一些頂尖的抗干擾方式之外(比如新LIGO那個增強10倍精度的懸垂式穩定器),LIGO還有一個解決之道,那就是,我複製一個自己。

    真實的LIGO系統,其實是有兩個完全一致的設備,分別位於華盛頓州的漢福德和路易斯安那的利文斯頓,兩地相距3000多千米。這樣一來,就可以通過超級計算機比對兩者採集到的數據,並通過算法來排除許多干擾信息。

    因為,同時能影響到相隔這麼遠的兩地的波動信號,基本上必然來自太空,這樣把地面人為的信號都去除掉,再篩選起來就容易多了。

    除了這些之外,LIGO這套設備本身也已經堪稱是人類史最精密的儀器。

    首先,為了能夠獲得更清晰的干涉波形,需要激光的強度足夠大,也就是功率要大,那麼增強激光功率的方法,就是讓激光通過許多鏡面進行多次來回反射。

    LIGO的每一面鏡子,都有着超乎想象反射率,這些純二氧化硅打造的反射鏡,每300萬個光子射入,只有1個會被留下,其餘光子全部會被反射走。

    另外,LIGO本身的激光臂就有4公里長,但這對於精度而言還遠遠不夠,激光要經過400次反射,才能達到最終的強大功率,也就是說激光臂最終長度是1600公里,這樣驚人的長度才能實現最終的精確率。

    是的,當你用引力波的振幅10的-21次方和1600km相乘時,最終得到的數據尺度大約是單個質子半徑那麼大,雖然依然是極小,但至少足夠我們捕捉到引力波的存在了。

    引力波,給茫茫宇宙帶來「遠古的呼喚」

    03 這一次的引力波探測有什麼不同?

    昨天公布的這次引力波探測事件,是兩個中子星合併時所釋放的引力波。而之前觀測到的那次,是兩個黑洞合併所釋放的引力波。

    簡而言之,它們的差異有兩點:

    第一點,是雙中子星合併,所產生的引力波信號更強。雖然中子星的質量比黑洞小很多,但是它們持續釋放引力波的時間要比黑洞長很多,可以達到一分鐘以上,而黑洞合併的引力波信號,通常只持續一秒。

    嗯,持久就是好呀~

    第二點,是雙黑洞合併時,因為黑洞的超大引力,任何光波都無法釋放出來,也就是說,這一事件是真正意義上的「黑」的,我們只能根據其他現象推測它產生了,但是無法真的「看到」。

    而雙中子星合併就不一樣了,它不但會釋放大量的短伽瑪射線暴,還會發出巨新星輻射,也就是說,有大量的電磁信號會產生,會被我們的天文望遠鏡觀測到。

    這也就是說,同時結合了引力波和電磁波,我們就對觀測有了一個雙保險加參照物,通過電磁波還可以準確定位到天文現象的位置。

    嗯,黑洞可能大家都有所耳聞,那麼中子星(neutron star)又是個啥呢?

    當恆星的壽命即將終結時,它內核中的氫、氦、碳等元素已經在百億年的核聚變反應中消耗殆盡。最終當熱輻射效應漸漸式微,所產生的壓力再也不足以支撐外殼時,就會發生坍縮,以及劇烈的爆發。

    根據恆星的質量不同,從小到大最終會演變成白矮星、中子星或是黑洞的一種。

    中子星的直徑一般是10-20公里,但是每一立方厘米的物質便可重達十億噸,因此它的重量可以達到太陽的1.35到2.1倍之多。這也就是說,中子星的密度基本上跟原子核的密度差不多。

    另外,中子星的自轉速度非常之快,可以達到一秒一圈。

    大家可以想象一下,一個直徑20公里,有兩個太陽那麼重的星體,一秒鐘就轉一圈,這是一種什麼景象……

    正是因為自轉極快,中子星本身磁場又極強,在自轉時所產生的電磁波輻射每掃過地球一次時,都會形成高頻的信號脈衝,這種中子星也被稱為「脈衝星(Pulsar)」。就跟迪廳里快速轉動的彩燈差不多……

    值得一提的是,世界最大單口徑(500米)射電望遠鏡,位於我國貴州的FAST望遠鏡,一周前剛剛探測到數十個優質脈衝星候選體,其中6顆通過國際認證。

    這也是中國射電望遠鏡首次新發現脈衝星。

    上文里我們也說了,脈衝星本身就是引力波產生的重要來源,也就是說,未來非常有可能由LIGO、VIRGO(相當於歐洲的LIGO)發現引力波的存在,再由FAST這樣的天文望遠鏡向那個位置觀察,最終發現脈衝星、中子星合併等罕見的天文現象。

    這一次的中子星合併,就是這樣的故事:

    8月17日,LIGO與VIRGO的三台探測器先後接收到一個引力波信號。就在這之後僅僅1.7秒,NASA的費米衛星就探測到了一個伽馬射線暴。再之後位於智利的SWOPE望遠鏡在星系NGC4993中觀測到明亮的光學源。

    這三者互相印證了一件大事在宇宙中的產生(其實已經是1.3億年前就發生了,只不過信號剛剛到地球……)

    於是接下來的數個星期,全世界所有的著名天文台全部將望遠鏡對準了這片區域,並爭先恐後地記錄下天文數據,也就是這兩顆中子星的前世今生:

    距離地球1.3億光年的長蛇座星系NGC4993中,兩顆中子星彼此吸引着,越轉越近,最終它們決定合體,以獲得生命的大和諧……

    在併合前約100秒時,它們相距400公里,每秒鐘互相繞轉12圈(這速度嘖嘖),並向外輻射引力波。數秒之內它們越轉越近,直至最終合體在一起,發生劇烈的撞擊,形成新的天體,並發出電磁輻射。

    LIGO它們發現的,就是這次合體事件的引力波;全球各大天文台發現的,就是這次合體事件的電磁輻射。

    雙中子星合併,最後變成了什麼呢?

    目前還在觀測中,一種可能是變成了一顆更大的中子星,也有可能是變成了黑洞。

    04 引力波的發現有什麼意義?

    然而實話實說的話,就目前而言,除了在天文、物理等頂尖領域意義重大之外,對於普通人而言,並沒有什麼直接的意義。

    或許很多人就會這樣想,那有啥好關心?反正這玩意也不會影響我漲工資,也不能幫我娶媳婦兒,有這個資金還不如搞搞扶貧呢。

    真的是這樣嗎?

    曾經五百年前,歐洲的航海技術飛速發展,而原本航海實力世界第一的明朝卻寧願禁海,也不願再在航海上燒錢。從此歐洲人殖民了全世界,至今他們的文化還深遠影響了海外。

    曾經三百年前,歐洲啟蒙運動誕生,基礎科學迅速發展,而清朝人卻將其視為奇技淫巧。然而人家很快產生了工業革命,把中國遠遠甩在後面不說,還讓我們經歷了那樣屈辱的歷史。

    如今,我們還要繼續那樣短視嗎?只有身邊看得見摸得着的,才是利益,長遠的看似縹緲無邊的,就跟我沒關係,是這樣嗎?

    當電磁感應被法拉第發現,被麥克斯韋研究時,可能大眾也覺得這跟我沒啥關係。然而,當電能最終進入到應用領域,給全世界所有人的生活帶來了無法想象的變化。

    同樣的還有神經網絡、人工智能、量子計算這些,那些領域的專家們早在上世紀60年代就已經開始研究,只是現在終於到了應用階段,到了瓜熟蒂落的收穫季節,許多認才開始恍然大悟:原來我們一直在追趕的路上啊!

    引力波,給茫茫宇宙帶來「遠古的呼喚」

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