首先,抛一个“我思故我在”的哲学话题。我们平时所谓“看得见”,本质上是这个东西发光或反光,光线进入眼睛后,产生一系列生物反应,最终在大脑产生视觉信号,这就是“看得见”。所谓“摸得着”,那是手指的分子与这个东西的分子足够近,分子间产生排斥力,使神经系统产生压力信号,让我们认为摸到了这个东西,实际上分子之间是不接触的。

我们看到的只是光,摸到的只是分子排斥力,而这个东西到底是否存在,严格的说,是不确定的。更刁钻一点,如果有个技术能模拟各种各样场景的大脑信号,那这个大脑是分不清幻觉和现实的。也许世界根本就不存在,是你的大脑信号一直在欺骗你。

这个滥话题有点扯蛋,但换个场景,就有点意思了。

引力波的价值

上篇说到,人类观察宇宙,主要通过测量各种射线、紫外红外、可见光等电磁波,归根结底,还停留在“看得见”这个层面,而且是依靠“电磁波”才看得见。万一有个东西不辐射电磁波,也不存在电磁相互作用,那我们就傻眼了!

有人会说,这种没头没脑的假设,是毫无意义的钻牛角尖!众所周知,任何有温度的东西都有辐射,谁能说出一样没辐射的东西?有吗?有吗!

玄学和科学的差别就是数学。没有数学的物理模型,就好像没有火控雷达的防空导弹,瞎。

引力波的测量

非常抱歉,你得重新认识引力了。

电磁辐射消耗能量,所以物体散发电磁波会导致自身能量不断下降,因为能量守恒嘛。同理,引力也在对外传播,那会不会有“引力辐射”,也导致物体能量的减少?物理学家设计了一个异常宏大的实验方案。

两颗质量不变的星星,相互绕着旋转,按照经典的理解,轨道半径是不会有任何变化的。

但按照相对论引力波的理解,两颗旋转的星星,忽远忽近,使得引力忽大忽小,并以光速对外传播,这种“引力辐射”使双星的能量不断降低,进而导致双星运行轨道变短。

引力波天文学介绍(天文新宠引力波)(1)

实验原理虽然简单,但即便拿2个地球那么大的物体做实验,数据仍然小到微不可察。幸运的是,宇宙早就为我们准备了一个完美的“引力实验室”,1974年阿雷西博射电望远镜(就是上文提到的美帝即将关门的射电望远镜)发现了一对脉冲双星,编号PSR1913 16,为了强调这个“天然实验室”的重要意义,天文学家专门把“脉冲双星”这个名称保留给PSR1913 16。下面开始试验了。

某天,阿雷西博望远镜接收到了一个来自宇宙的微弱脉冲信号,意味着发现了一颗脉冲星。这其实没啥好得瑟的,但天文学家很快发现了异常,通常脉冲星频率极其稳定,精度堪比原子钟,但这颗脉冲星的脉冲周期前后偏差却有十亿分之58秒。很明显,如果不是外星人的信号,那一定是有一颗伴星影响了电磁波传送。

人类已经有能力把脉冲星的频率测量的无比精确,仅仅凭借这一个参数,天文学家犹如福尔摩斯一般,把这对脉冲双星的家底算了个底朝天:自转周期0.059029995271秒,公转周期27906.98163秒,还有诸如天体质量,轨道半径等等参数。

按照引力波的预言,这对脉冲双星因为引力辐射损失能量,应该会导致公转周期每年减少百万分之75秒,并在3亿年后合并。天真的天文学家持续进行了多年的观测,最终,根据脉冲变化规律计算得:公转周期每年减少百万分之76±2秒,半长轴每年缩短3.5米,与相对论预言极其吻合!啥也不说了,先给诺贝尔奖!

这是首次对广义相对论最精确、最全面的检验!这下真是炸了锅了,引力竟是这般模样。

脉冲双星提供了有力的间接证据,于是大伙都指望直接测量引力波。

说起来,引力波探测的原理异常简单。前后放两块板,如果引力是瞬间传播的,那么这两块板会同时感受到引力,同时产生轻微的位移,两者间距不会有变化。如果引力是光速传播的,那么前面的板先感受到引力,先产生位移,此时后面的板尚未感受到引力,所以两块板的间距就会发生变化。

直白点说,如果好端端放着的两块板,间距莫名其妙发生了一下变化,我们就认为探测到了引力波。你还别嫌弃,从原理上讲,人类就这么点能耐。

说起来简单,但引力波引起的移动,可能只有千分之一质子大小的距离。要测量这种尺度的位移,还是得费不少功夫,上道具:激光干涉引力波天文台(LIGO)。

引力波天文学介绍(天文新宠引力波)(2)

先把一束激光分成2束,按相互垂直的方向发射出去,在各自顶端放一个反射镜。每个管道长4km,激光来回反射,最后两束激光形成干涉条纹。当引力波经过时,两个反射镜会先后受到干扰,先后产生位移,间距也就变了一下,干涉条纹就会发生变化。除非这个挨千刀的引力波刚好从45度角过来。

引力波天文学介绍(天文新宠引力波)(3)

虽然引力波探测的原理如此简单,但技术层面异常复杂,正如贵州FAST,大有大的难处。为了保证反射镜的抖动是引力波造成的,就要做很多防震措施,不然跺一跺脚,镜片就抖个不停。

引力波天文学介绍(天文新宠引力波)(4)

为了最大限度的提高了信号的可信度,在远处再造一个一模一样的装置,两台LIGO分别位于美帝的两头,相距3000km,所以你经常能看到两张背景不同的LIGO照片。

引力波天文学介绍(天文新宠引力波)(5)

为什么要装2台呢?如果是跺脚产生的振动,不会给两台装置同时留下一模一样的信号。实际上,地球上的振动,都不可能在相距3000km的距离上同时产生一模一样的、如此微小的振动信号。而来自十几亿光年之外的引力波,哪怕是相距3000万km,引力场也是非常均匀的,这个很好理解。

美帝花3.6亿美刀做完这一切,守株待兔在那边等了11年,最终,一无所获。于是,科学家又忽悠美帝再烧2亿升级系统,又苦苦等了5年,直到那个巨大巨大巨大的引力波撩动了反射镜,使镜子整整移动了0.000000000000000001米,整个过程持续了整整0.25秒。最后得到了如此美轮美奂的一张图!

引力波天文学介绍(天文新宠引力波)(6)

好吧,其实我想说,基础科学实际上就是这么枯燥。前2个图分别是两台LIGO上测试到的振动信号,第三张图是把两个信号重合到一起,非常吻合,可以判断是宇宙引力波,而不是研发人员打喷嚏或者地球上的其他振动。

这个引力波来自十几亿光年之外的两个黑洞相撞,两颗黑洞的初始质量分别为14.2颗太阳和7.5颗太阳,合并成了一颗20.8倍太阳质量的黑洞,亏损的0.9颗太阳质量以引力波的形式释放到宇宙空间。如此巨大的能量,到了地球仅仅撩动了反射镜那么一点点距离。

引力波天文学介绍(天文新宠引力波)(7)

基于这种原理建造的引力波天文台,还有意呆利臂长3千米的VIRGO,德国600米的GEO,脚盆正在升级的3千米的KAGRA,连造型都一模一样,难度只在技术细节上,枯燥的很,不多说。

中国对引力波的探测曾经中断十几年,当前有个“天琴计划”,大意是,地球上腾挪不开,用月球啊、卫星啊当反射镜。说白了,就是增加两个反射镜的距离,提高测量精度。欧萌已经开始用卫星在太空搭一个100万公里长的探测器,道理都差不多。

引力波天文学介绍(天文新宠引力波)(8)

欧洲LISA“探路者”引力波探测器卫星

地球末日

从实用主义的角度出发,这些到底有什么用?送各位一个无从反驳的理由。

有一种观点认为,注意,只是某一些人的观点,之所以找不到外星人,是因为超新星爆炸。大恒星演化到后期很大可能发生超新星爆炸,天体演化过程可以参见前文《黑洞修炼秘籍》。

超新星爆炸伴随强大的伽马射线,伽马射线是宇宙间最强的能量表达形式,可以清空周围一片星系上的所有生命,包括细菌。这种观点认为,宇宙中90%的核心区域因为有太多恒星,会不定期发生超新星爆炸,而这里的生命也就不定期被清洗干净。幸运的是,太阳系属于宇宙的角落地带,恒星少,遭难的可能性也就小了。

来点劲爆的消息,天文学家发现,距离地球大约8000光年,代号为WR104的巨大恒星,在今后的50万年时间里,随时都有可能发生超新星爆炸,注意,是50万年内,不是50万年后,而它的伽马射线暴正巧对着太阳系,不偏不倚。

从这个角度说,人类文明存亡在旦夕之间!以目前的科技水平看,近距离的伽马暴,人类几无招架之力。

引力是什么

目前引力波毫无实际用途,但仅仅对引力的重新认识,就足够掀起科学界的滔天巨浪。

19世纪末,大家以为物理学已经完工了,只剩下“两朵乌云”,结果两朵乌云分别诞生了相对论和量子力学,让物理学家又忙活到现在。

而现在,大家又把物理学收拾得规规整整,只剩下引力无法统一,说不定,这个引力又会为人类掀开一个全新的世界。

引力可能就是目前为止我们这种三维空间生物超越时空的唯一希望。这个坑太大,先不挖,就稍稍举个例子,黑洞里时空已经破坏,所有信息都跑不出来,唯独引力可以从容的向外传播,为啥?

对于引力波,即便是70年代的间接证据都能得诺贝尔奖,这次引力波直接测量,用脚指头想想就知道多大份量。2016年6月宣布探测到引力波,次年便获得了诺贝尔奖,这种获奖速度和历史上最疯狂的“超导大跃进”有的一拼,正常的诺贝尔奖都得熬上几十年,可见大伙对引力的重视程度。

引力波天文学介绍(天文新宠引力波)(9)

2017年诺贝尔物理学奖得主:雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorne)和巴里·巴里什(Barry Barish)

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