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科普 | 什麽是引力波?它為什麽會讓物理學家痛哭流涕?

來源: http://www.yicai.com/news/2016/02/4749011.html

科普 | 什麽是引力波?它為什麽會讓物理學家痛哭流涕?

一財網 霍光 2016-02-12 23:17:00

作為一個普通大眾,我們在被各種社交媒體刷屏的”引力波“洗腦的同時,卻很少有人知道,引力波到底是什麽?為什麽探測到它需要百年努力?它又能給世界帶來什麽?

“破五”是中國傳統迎財神的日子。但2016年的這一天,不僅中國,全世界的物理學界都沸騰了,仿佛迎來了它們的“財神”——被預言已經百年的引力波,終於被探測到了。

據媒體報道,一位物理學家如此形容自己的心情:”堂堂男子漢很少哭,當時心中忽然暖流湧動,但還是強忍住沒哭。那是一種強烈的感動,感動到想哭的感覺。整個新聞發布會上,我一直強忍著。“

作為一個普通大眾,我們在被各種社交媒體刷屏的”引力波“洗腦的同時,卻很少有人知道,引力波到底是什麽?為什麽探測到它需要百年努力?它又能給世界帶來什麽?

宇宙大蹦床

很多人都聽說過愛因斯坦的廣義相對論,但並不知道它講了什麽。事實上,廣義相對論的很多推論是人們的直覺無法理解的。比如這一項——引力的定義。

在廣義相對論中,引力被歸咎與時空的彎曲。

”時空彎曲是什麽鬼?“相信大多數人聽說之後都是這個反應。它的意思是,我們平時看到的空間貌似是平直的,但真實的情況中,卻是像哈哈鏡里一樣扭曲的。這種扭曲是物質造成的,質量越大,扭曲就越大。

我們可以把宇宙想象成一個蹦床,如果沒有任何擾動,它是平坦的。但有質量的物體出現時,比如一個雞蛋,來遊樂場的小孩子,或者是地球這樣的龐然大物,它就會變得彎曲。

大質量物體周圍空間會像蹦床一樣開始彎曲

可憐的是,這種彎曲,對於生活在蹦床上的微小生物——我說的就是人類這種生物——來說,一是由於我們跟著蹦床一起彎曲了,二是由於這種彎曲太微小,我們完全感覺不到這種彎曲。

如果只是彎曲還好。但如果這個大質量物體發生變化——雞蛋被吃了,小孩子蹦走了,或者地球爆炸了——蹦床就會開始震動,這種震動就是引力波。當然,跟著一起震動的我們也感覺不到它在震動。

如果地球消失了,周圍的空間就會開始震動,像漣漪一樣傳播開去

用圓規丈量宇宙

對於不喜歡睡眠被地震打擾的我來說,感受不到宇宙的震動是多麽幸福。但物理學家可不這麽想,他們急需感覺到震動,來證明自己確實讀懂了宇宙。他們還希望通過對震動的研究,來把宇宙讀得更懂。於是,他們發明了世界上最大和最貴的......圓規?或許很像,但他們把它叫做邁克耳遜幹涉儀,或是LIGO。

引力波探測器很像一個圓規,不過更為巨大

LIGO的“兩條腿”都有4000米長,最近的一次升級就花去了幾十億美元。

在大年初五帶來引力波消息的LIGO並不像財神,相反,這個美國國家科學基金會(NSF)資助的項目前前後後已經花去了數十億美元。

LIGO的原理是什麽?假設我們有兩個短跑運動員,他們在任何情況下跑步速度都一樣,那麽,如果跑道因為引力波擾動,長度發生了變化——就像蹦床表面會因受力,在一個方向上拉伸一樣,他們從LIGO的兩條腿上跑回來的時間就會發生些微的差異。我們就知道,空間確實在震動。

然而,這並不是那麽簡單的。最簡單的兩個原因——第一,震動太小了,也許4000米只會發生0.000000000000000001米(我幫你數好了,這里應該有17個0)的變化。雖然圓規腿已經這麽長了,這也這只是勉強能讓我們感覺到兩側運動員,也就是激光回來的差異。第二,我們不能讓諸如跺腳、打噴嚏或是地震影響我們的觀測,所以要用各種設備讓兩條腿穩定。同時,我們還要在很遠的地方再建一個,如果兩個都震了,我們就知道這不是科研人員絕望情況下掀桌子引起的。

物理學家在地球上建了一大堆探測器。其中,這次成功的LIGO在美洲東西海岸各有一個探測基地。

1991年,麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會(NSF)的資助下,開始聯合建設“激光幹涉引力波天文臺”(LIGO)。不過,LIGO建成後一開始並沒有什麽作為,經過數次耗資不菲改造,LIGO總算帶來了好消息。

引力波能帶來什麽?

對於大眾來說,或許會懷疑花費這麽多美元——教育家會計算能建多少學校,貧困國家會計算能買多少糧食,諸如此類——去探索引力波有何意義。但對瘋狂的物理學家來說,他們會覺得,這不但值回票價,而且就像免費的一樣便宜。

愛因斯坦當然會高興聽到這個消息,因為這證明了他不像普通人類的腦袋瓜又對了,他想像出的東西,人們花了大把鈔票辛苦了數十年,總算看到了。不過,其他物理學家呢?

對物理學家來說,這輕輕的一震,比《美人魚》、《星球大戰》乃至人類史上所有的電影加起來都好看,因為它蘊含的劇情,是宇宙誕生的畫面。

我們從小都被告知一個最著名的猜想——宇宙是在一場爆炸中誕生的。這意味著,在時空的開始時,這個大蹦床有一次最劇烈的震動。引力波就能讓我們還原這個震動——它是否存在,有多大規模,諸如此類。

除此之外,引力波還能讓我們知道,我們看不到的宇宙空間在發生什麽。據科學家說,這次的引力波就是我們看不到的超級遠的距離上,我們看不到的超級大的黑洞的變化引起的。如果你是《三體》迷,你就可以理解,如果在很遠的星系一個文明被高階文明炸掉了,我們能夠第一時間通過引力波知道這個事情是多麽重要。

編輯:邊長勇

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科普 什麼 引力波 引力 為什麼 會讓 物理 學家 痛哭 流涕
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霍金:引力波的發現是科學史上的重要一刻

來源: http://www.yicai.com/news/2016/02/4748985.html

霍金:引力波的發現是科學史上的重要一刻

一財網 錢童心 2016-02-12 11:20:00

北京時間2月11日23點30分,物理學家宣布人類首次直接探測到引力波。所謂引力波,是100年前愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動,就好像石頭丟進水里產生的波紋一樣,引力波被視為宇宙中的“時空漣漪”。

物理學見證了歷史性的一刻。北京時間2月11日23點30分,物理學家宣布人類首次直接探測到引力波。所謂引力波,是100年前愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動,就好像石頭丟進水里產生的波紋一樣,引力波被視為宇宙中的“時空漣漪”。愛因斯坦曾預言,引力波無法被探測到,因為即使是天體碰撞形成的最為強大的引力波,傳到地球時也將變得非常微弱。同為黑洞專家的物理學大師霍金在接受BBC采訪時表示,這是科學史上的重要一刻。

霍金說:“引力波提供了看待宇宙新的方式,發現它們的能力或許能使天文學發生革命性的變化。這項發現是首度發現黑洞的二元系統,是首度觀察到黑洞的融合。”他還表示,“除了檢驗愛因斯坦的廣義相對論,我們可以期待透過宇宙史看到黑洞,甚至可以看到宇宙大爆炸時期初期宇宙的遺跡、看到其中一些最大的能量。”

這項新的發現所探測到的引力波,是由13億光年之外的兩顆黑洞在合並的最後階段產生的。這兩顆黑洞的初始質量分別相當於29顆太陽和36顆太陽的質量。合並後合成為一顆質量相當於62個太陽的高速旋轉的黑洞。其虧損的質量以強大的引力波的形式釋放到宇宙空間。

去年9月,美國科研人員利用“激光幹涉引力波天文臺”(Ligo)兩臺孿生的引力波探測器探測到了引力波,隨後花了數月時間來驗證數據並通過審查程序,直到美國東部時間2月11日上午10:30宣布了這一重大科學發現。這標誌著全球各地研究團隊數十年的努力達到了最高潮。

外媒援引資助這項研究的美國國家科學基金會(NSF)負責人France Cordova稱:“如同伽利略首度把天文望遠鏡指向星空,這項新發現,就會加深人類對宇宙的理解,引發超乎意料的發現。”引力波以光速傳播,由引力波產生的時空扭曲非常微小,Cordova表示,人類將迎來天體物理學全新領域的誕生。

過去幾十年,人類都從未停止過對引力波的追尋。早在1974年,物理學家約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯發現了一顆編號為PSR B1913+16的脈沖星,他們發現該脈沖星處於雙星系統中,其伴星也是一顆中子星。根據廣義相對論,該雙星系統會以引力波的形式損失能量,軌道周期每年縮短76.5微秒,軌道半長軸每年減少3.5米,預計大約經過3億年後發生合並。

泰勒和赫爾斯的發現間接證明了引力波的存在,也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

如果再追溯到上世紀60年代,馬里蘭大學的物理學家韋伯發明了一種共振型的引力波探測器。該探測器有多層鋁筒構成,直徑1米,長2米,質量約1000千克,用細絲懸掛。當引力波經過圓柱時,圓柱會發生共振,進而可以通過安裝在圓柱周圍的壓電傳感器檢測到。韋伯曾在相距1000公里的兩個地方同時放置了相同的探測器,只有兩個探測器同時檢測到的信號才被記錄下來。1968年,韋伯宣稱他探測到了引力波,引起科學界的轟動,但是後來重複實驗都失敗了。

直到1991年,麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會(NSF)的資助下,開始聯合建設“激光幹涉引力天文臺”(Ligo)。Ligo的主要部分是兩個互相垂直的幹涉臂,臂長均為4000米,兩臂交匯處,從激光光源發出的光束被一分為二,分別進入互相垂直並保持真空狀態的兩個空心圓柱體內,然後被終端的鏡面反射回原處,並在那里發生幹涉。若有引力波通過,便會引起時空變形,一臂的長度會略微變長,而另一臂則略微縮短,這樣就會造成光程差發生變化,激光幹涉條紋就會發生相應變化。

Ligo於1999年初步建成,2002年開始運行。此次發現引力波的兩臺孿生引力波探測器分別位於華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的列文斯頓,彼此相距3000公里。只有當兩個探測器同時檢測到的相同信號,才有可能是引力波。

電磁波只能讓人類看到大爆炸38萬年之後的景象,而引力波則能讓人類回到宇宙大爆炸的最初瞬間。因此引力波一直被認為是人類認識宇宙的新窗口,引力波的發現也必將引發一場天文學的革命。除了檢驗廣義相對論之外,引力波還有助於證明其它版本的引力理論是否正確,比如牛頓提出的“萬有引力”。還將推動引力量子化的研究,並最終把引力融入其它三種基本相互作用,完成愛因斯坦的偉大夢想。

編輯:胡軍華

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霍金 引力波 引力 發現 科學史 科學 上的 重要 一刻
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科學家首次探測到引力波 通過它我們可以看到什麽?

來源: http://www.yicai.com/news/2016/02/4748979.html

科學家首次探測到引力波 通過它我們可以看到什麽?

一財網 一財網綜合 2016-02-12 10:43:00

美國科研人員11日宣布,他們利用激光幹涉引力波天文臺(LIGO)於去年9月首次探測到引力波,證實了愛因斯坦100年前所做的預測,同為黑洞專家的英國天文物理學大師霍金表示,他相信這是科學史上重要的一刻。

美國科研人員11日宣布,他們利用激光幹涉引力波天文臺(LIGO)於去年9月首次探測到引力波,證實了愛因斯坦100年前所做的預測,同為黑洞專家的英國天文物理學大師霍金表示,他相信這是科學史上重要的一刻。

霍金(Stephen Hawking)在接受英國廣播公司(BBC)專訪時表示:“引力波提供看待宇宙的嶄新方式,發現它們的能力,有可能使天文學起革命性的變化。這項發現是首度發現黑洞的二元系統,是首度觀察到黑洞融合。”

“除了檢驗(愛因斯坦的)廣義相對論,我們可以期待透過宇宙史看到黑洞。我們甚至可以看到宇宙大爆炸時期初期宇宙的遺跡、看到其一些最大的能量”,霍金說。

研究人員宣布,當兩個黑洞於約13億年前碰撞,兩個巨大質量結合所傳送出的擾動,於2015年9月14日抵達地球,被地球上的精密儀器偵測到。

資助這項研究的美國國家科學基金會(US National Science Foundation)負責人柯多瓦(France Cordova)表示,“如同伽利略首度把他的望眼鏡指向天空,這項對天空的新觀測,將會加深我們對宇宙的理解,引發超乎預料的發現。”

這個現象由兩個設在美國的地下探測裝置觀測到,此裝置主要用來偵測引力波的微小震動,這項觀測計劃的名稱是Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,簡稱LIGO。

科學家花費數個月時間驗證數據並通過審查程序,才宣布這個訊息,標誌著全球各地研究團隊數十年努力的最高潮。

柯多瓦說:“LIGO迎來天體物理學全新領域的誕生。”

愛因斯坦1916年左右在廣義相對論中提出引力波理論,認為聚集成團的物質或能量的形狀或速度突然改變時,會改變附近的時空狀態,效應就像漣漪以光速在宇宙傳播。

引力波以光速傳遞,無法加以阻擋或阻撓。由於引力波產生的時空扭曲非常微小,在此之前科學家從未成功觀測到。

過去數十年來許多跨國科學團隊都致力於找尋引力波存在證據,但引力波對於附近時空的沖擊因距離地球太遠,弱不可見,加深觀測的難度。以地球和4.3光年之外的半人馬座α為例,被引力波扭曲的太空可能只有一根頭發般的變化。

“逼格”很高的引力波究竟是個什麽鬼?

引力波示意圖

引力波就像時空結構中的漣漪,如果把空間想象成一塊巨大的橡膠膜,那些有質量的物體就會讓橡膠膜彎曲,就像我們站在蹦床上時引起床墊變形一樣。質量越大,空間被彎曲得越厲害。

比如地球圍繞太陽轉動的原因就是因為太陽非常重,導致太陽周圍空間出現巨大變形,如果試圖在巨大的變形周圍以直線運動,你會發現其實是在沿著一個圓運動,這就是軌道運轉。並沒有實際的力拉著行星運轉,僅僅是因為空間的彎曲。

只要有質量的物體加速,改變了空間形狀,引力波就產生了,你可以想象湖面的漣漪。當高密度、大質量的物體在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它們會在時空的墊子上泛起漣漪。這些波紋攜帶著大質量物體的引力輻射,在廣闊的宇宙中傳播。激光幹涉引力波觀測站的存在就是為了捕捉這種微弱的波動。

1915年,愛因斯坦發表廣義相對論論文,革新了自牛頓以來的引力觀和時空觀,創造性地論證了引力的本質是時空幾何在物質影響下的彎曲。1916年愛因斯坦在廣義相對論的框架內,又發表論文論證了引力的作用以波動的形式傳播。

發現引力波意味著什麽?

引力波的發現意義重大,從科學意義上看,引力波可以直接與宇宙大爆炸連接。廣義相對論中預言的引力波也可以產生於宇宙大爆炸中,這就是說大爆炸之初的引力波在137億年後的今天仍然可以探測到。一旦我們發現了宇宙大爆炸時期的引力波,就可以揭開宇宙的各種謎團,甚至了解宇宙的開端和運行機制。因此也有這樣的說法,如果引力波的發現被確定,那麽幾乎可以肯定會入選諾貝爾獎。1993年的諾貝爾獎就是授予了間接發現引力波存在的科學家,當時兩位科學家泰勒和赫爾斯對脈沖星雙星系統PSR1913+16進行研究,發現其系統內有兩顆中子星,它們快速圍繞對方公轉,最終發現了引力波間接證據。

一旦我們發現了宇宙大爆炸時期的引力波,就可以揭開宇宙的各種謎團,甚至了解宇宙的開端和運行機制

2014年3月,BICEP2望遠鏡科學家稱發現了宇宙大爆炸時期產生的原初引力波,這個發現瞬間轟動了世界,科學家在宇宙微波背景輻射中探測到B模偏振,認為這是原初引力波的證據。這個發現不僅意味著我們探測到引力波,而且還發現大爆炸時期的引力波,更令人驚訝的是根據這個理論我們甚至可以推出平行宇宙的存在。不過,很快BICEP2望遠鏡的發現成果被否定,科學家驗證後發現是銀河系的塵埃對觀測形成幹擾,這個發現是錯誤。

由此也可以看出,引力波對於現代天文學而言是多麽重要,一旦發現引力波直接證據,我們就能夠通過這個途徑觀測並研究它,進而揭開宇宙深層奧秘。

引力波科學的發展歷史

在過去的六十年里,有許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在做出了無數努力。其中最著名的要數引力波存在的間接實驗證據——脈沖雙星PSR1913+16。1974年,美國物理學家家泰勒(Joseph Taylor)和赫爾斯(Russell Hulse)利用射電望遠鏡,發現了由兩顆質量大致與太陽相當的中子星組成的相互旋繞的雙星系統。由於兩顆中子星的其中一顆是脈沖星,利用它的精確的周期性射電脈沖信號,我們可以無比精準地知道兩顆致密星體在繞其質心公轉時他們軌道的半長軸以及周期。根據廣義相對論,當兩個致密星體近距離彼此繞旋時,該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量,所以系統總能量會越來越少,軌道半徑和周期也會變短。

泰勒和他的同行在之後的30年時間里面對PSR1913+16做了持續觀測,觀測結果精確地按廣義相對論所預測的那樣:周期變化率為每年減少76.5微秒,半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年後合並。 這是人類第一次得到引力波存在的間接證據,是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學獎。

圖3:PSR1913+16轉動周期累積移動觀測值與廣義相對論預言值的比較。

圖中藍色曲線為廣義相對論的預測值,紅點為觀測值。兩者誤差小於0.2%,此發現給引力波科學註入了一針強心劑。

在實驗方面,第一個對直接探測引力波作偉大嘗試的人是韋伯(Joseph Weber)。早在上個世紀50年代,他第一個充滿遠見地認識到,探測引力波並不是沒有可能。從1957年到1959年,韋伯全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終,韋伯選擇了一根長2米,直徑0.5米,重約1噸的圓柱形鋁棒,其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器,被業內稱為共振棒探測器(如下圖):

圖4:韋伯和他設計的共振棒探測器。

引力波驅動鋁棒兩端振動,從而擠壓表面的晶片,產生可測的電壓。圖片來自:馬里蘭大學。當引力波到來時,會交錯擠壓和拉伸鋁棒兩端,當引力波頻率和鋁棒設計頻率一致時,鋁棒會發生共振。貼在鋁棒表面的晶片會產生相應的電壓信號。共振棒探測器有很明顯的局限性,比如它的共振頻率是確定的,雖然我們可以通過改變共振棒的長度來調整共振頻率。但是對於同一個探測器,只能探測其對應頻率的引力波信號,如果引力波信號的頻率不一致,那該探測器就無能為力。

此外,共振棒探測器還有一個嚴重的局限性:引力波會產生時空畸變,探測器做的越長,引力波在該長度上的作用產生的變化量越大。韋伯的共振幫探測器只有2米,強度為10 -21的引力波在這個長度上的應變量(2×10 -21米)實在太小,對上世紀五六十年代的物理學家來說,探測如此之小的長度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測器沒能最後找到引力波,但是韋伯開創了引力波實驗科學的先河,在他之後,很多年輕且富有才華的物理學家投身於引力波實驗科學中。

(綜合中國網、澎湃新聞網、cnbeta網站、觀察者網)

編輯:羅懿

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科學家 科學 首次 探測 引力波 引力 通過 我們 可以 看到 什麼
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從電磁波到引力波

來源: http://www.infzm.com/content/115279

 

科學家通過架設在南極的天文望遠鏡BICEP2 發現了極早期宇宙產生的原初引力波的痕跡。 (南方周末資料圖/圖)

2015年引力波的發現,無疑是自電磁波發現之後又一劃時代的事件,也是理性思考與實驗觀測相結合的又一光輝典範。引力波有可能繼電磁波之後成為一種通訊的新媒介,並最終走進我們的日常生活嗎?讓我們拭目以待。

1888年電磁波的發現,毋庸置疑是近代科學史上的一座里程碑。由法拉第開創、麥克斯韋建立的電磁場理論至此取得了決定性的勝利。而此次引力波的發現,毫無疑問將作為另外一座里程碑載入人類文明與科技發展的史冊。

歷史總有著許多驚人的相似。電磁波的發現歷程,是人類歷史上理性思考與實驗觀測相結合的光輝典範。自1831年始,法拉第通過一系列的重要實驗,發現了電磁感應現象,並成為現代發電機的始祖,但他更為革命性的貢獻,是提出了力線與場的概念,並認為場同我們日常所感知的具體實物如樹木、泥土一樣具有客觀實在性。具體來說,電磁場作為一種實體,可以不依賴於場源如電荷、電流而獨立存在。但日常生活中由於電磁場既看不見,又摸不著,法拉第這些深邃的思想與觀念超越於時代,不為大眾所接受。

不過,他的理論深深吸引了當時還是年輕人的麥克斯韋。麥克斯韋憑借自己超群的數學造詣與敏銳的物理洞察力,通過十年的全面總結與系統研究,於1864年寫成經典論文《電磁場的動力學理論》,並建立起一組能完整描述電磁現象的方程,現在這組方程經過後人的整理與改寫被稱為麥克斯韋方程組,它不僅簡潔美觀,而且應用廣泛,成為人類認識和理解自然的一座豐碑。

值得指出的是,這座豐碑的建立,不全是麥克斯韋對過往實驗的系統總結,而且包含了他基於理論自洽性考慮而提出的大膽假設,其中一個重要環節是提出了位移電流的概念。更讓人驚奇的是,1865年麥克斯韋進一步基於理性的思考從純理論的角度預言了電磁波的存在,並且通過具體演算推理斷言電磁波是橫波,在真空中以光速傳播,受此啟發他還提出可見光不過是電磁波的一種形式!但在當時由於麥克斯韋的理論難懂,又無實驗驗證,並未馬上引起大家的重視並得到認可。自然界是否真實存在這種電磁波呢?只有實驗才是檢驗科學理論的唯一標準,直到1888年,德國物理學家赫茲證實了電磁波的存在,這距離麥克斯韋理論預言已過了二十三年。赫茲的實驗證實具有劃時代的意義,人們為了紀念他,已將他的名字作為頻率的標準單位,沿用至今。

稱得上劃時代的理論與實驗並不多見,我們今天只要稍微回顧電磁波被證實之後人類科技發展的歷程,就知道麥克斯韋與赫茲的工作當之無愧。電磁波被發現後,1895年發明了無線電,1901年就有了無線電報,1906年實現了第一次廣播,1925年產生了電視,1935年有了雷達,而到今天的2016年,互聯網、移動通訊、GPS定位等等已經進入普通百姓日常生活的現代科技,無一不與電磁波的理論與發現有關。從1888年電磁波的發現至2016年的今天,短短128年的發展歷史,人類文明進程早已天翻地覆。

而2015年引力波的發現,無疑是人類文明發展歷程中又一劃時代的事件,也是理性思考與實驗觀測相結合的又一光輝典範。因為存在引力波,是愛因斯坦提出廣義相對論之後最為重要的一個預言之一。早在1908年,愛因斯坦就開始思考,認為在建立物理規律過程中不僅慣性參考系是平權的(受慣性系都是平權的啟發愛因斯坦於1905年推廣了伽利略相對性原理,並結合真空光速不變原理建立了狹義相對論),而且非慣性參考系也應該是平權的,物理規律對於所有慣性系都應該是協變的。將之應用於引力,那麽要發展牛頓的萬有引力定律,將不僅僅是克服引力的超距作用這一主要困難,而且需要建立一個廣義協變的引力理論。

經過近七年的嘗試與探索,愛因斯坦終於在1915年11月發表了經典論文《引力的場方程》,從而標誌著廣義相對論的建立。在文中他繼承了法拉第、麥克斯韋關於場的觀念,同時利用黎曼幾何建立了描述引力與時空結構的引力場方程,無論從數學美觀性,還是從物理規律的一般性來看,這都是一個完全可以和描述電磁場的麥克斯韋方程相媲美的方程,後來人們也習慣將這個方程稱為愛因斯坦方程。

跟牛頓的萬有引力定律相比,它不僅克服了引力的超距作用,而且深刻闡述了物質分布與時空結構之間的深刻聯系。依據廣義相對論,物質使得時空幾何發生彎曲,而物質的運動也會使時空的幾何結構產生變化,如同巨輪在海上航行將產生波浪,也如同加速帶電粒子將向外輻射電磁波。1916年6月愛因斯坦通過對引力場方程的分析,發現引力源的質量四極矩能產生引力輻射,並與電磁波一樣以光速向外傳播,這種時空的漣漪被稱為引力波。

從愛因斯坦預言引力波的存在,到現在LIGO直接探測到引力波信號,已經整整過去了100年,那麽引力波為什麽這麽難以被證實呢?主要的原因是引力波信號實在太弱。愛因斯坦本人就曾經認為引力波太弱而無法被探測。現今只有宇宙極早期劇烈的時空漲落,或者大質量的天體發生碰撞、並合或者爆發時才可能產生足夠強的引力波信號而被儀器檢測到。1969年韋伯(Joseph Weber)宣稱用大質量圓柱形鋁棒作為共振器探測棒探測到了引力波,但很遺憾後來沒人能重複驗證韋伯的實驗。

在此之後最有力的間接證據來自於1974年美國物理學家泰勒(Joseph Taylor)和赫爾斯(Russell Hulse)利用射電望遠鏡對雙星系統的觀察,他們發現這兩顆致密中子星繞其質心公轉時的軌道和周期都在變化,而根據廣義相對論,這種變化理論上可以歸咎於引力輻射帶走了雙星系統的能量,通過比較理論預言與觀測數據,泰勒和赫爾斯發現雙星公轉周期變化率與廣義相對論理論預期的結果一致,因此也榮獲了1993年諾貝爾物理學獎,但是對於引力波的檢測而言,這畢竟只是一個間接證據。

對引力波的直接探測無疑將開創一個新時代。引力波有可能繼電磁波之後成為一種通訊的新媒介,並最終走進我們的日常生活嗎?讓我們拭目以待。

電磁波 電磁 引力波 引力
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LIGO為什麽能夠成功? 除了引力波,還有其他被忽視的發現

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人類首次直接探測到引力波的存在無疑是劃時代的科學發現。在公眾的註意力完全被引力波所吸引時,大家還忽視了另外一件重要的事實,那就是這次觀測也是天文學史上真正意義上第一次直接觀測到了雙黑洞系統,也是首次捕捉到雙黑洞並合過程的直接證據。

當地時間2016年2月11日,美國華盛頓,美國科研人員11日宣布,他們利用激光幹涉引力波天文臺(LIGO)於去年9月首次探測到引力波,證實了愛因斯坦100年前所做的預測。圖為激光幹涉引力波天文臺實驗室探測地點。 (CFP/圖)

美國當地時間2016年2月11日上午10點30分,美國科研人員宣布,他們利用激光幹涉引力波天文臺(LIGO)於2015年9月14日成功探測到引力波(現被稱為GW150914事件)。這一轟動全球的發現既驗證了愛因斯坦100年前的理論預言,也開啟了引力波天文學的新時代。

愛因斯坦也會驚訝的發現

長期以來,科學家一直希望能夠證實引力波的存在。但是引力波通常太微弱了,就連愛因斯坦本人也認為它難以被直接探測到。為什麽這一次激光幹涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,LIGO)能夠獲得成功呢?

LIGO於上世紀九十年代開始建造,在美國路易斯安娜州利文斯頓和華盛頓州漢福德各建造了一個,主要采用了邁克爾孫幹涉儀的原理尋找引力波蹤跡。從宇宙深處傳來的引力波會改變幹涉儀兩臂的相對長度,從而使得引力波信號被記錄在幹涉條紋的明暗之間。有兩個這樣的天文臺不僅可以相互驗證所測的引力波信號是真是假,也可以如人耳一般推斷引力波源的方位。這兩個耳朵的靈敏度自然是相當高的,差不多一百萬光年距離若有1米的變化,也能被覺察出來。

到2001年LIGO建設完成,被人們稱為初始LIGO(initial LIGO)。於2001年到2010年進行數據采集。其中在2009年人們通過大功率激光的引入等更為先進的實驗技術,建成加強版LIGO(enhanced LIGO)。但整個初始LIGO的觀測都沒有測到任何引力波信號。

2010年後,LIGO關閉,人們對他進行整體的升級。直到2015年9月升級初步完成,也就是現在的升級版LIGO(advanced LIGO)。比起2010年的初始LIGO,現在升級版的LIGO靈敏度提高約4倍。結下來升級版LIGO還會在不斷運行-調試,計劃到2020年達到預定的靈敏度,到時的靈敏度會是初始LIGO的約10倍。由於引力波強度隨距離成一次反比減小,所以4倍的靈敏度意味著升級版LIGO比初始LIGO可以觀測更遠4倍的波源,其所包含的體積增加4的立方即64倍。也就是說現在升級版LIGO會比初始LIGO多看到64倍的波源。這是LIGO實驗技術了不起的進步。

對比韋伯型共振棒探測器,LIGO的優勢在於它的寬頻帶探測能力。以剛公布的引力波事件為例,35-350Hz全部落入LIGO的敏感頻帶。寬頻帶特點也給引力波理論研究帶來機遇和挑戰。寬頻帶特點使得雷達數據處理的成熟技巧——匹配濾波(matched filtering)方法可以被用到引力波數據處理中來。該數據處理方法驚人的地方是,在既定硬件靈敏度前提下可以成百上千倍地提高信號探測能力。

但該方法工作的前提條件是對要探測的信號擁有準確的理論模型。為了建立引力波信號的理論模型,人們需要求解愛因斯坦方程。愛因斯坦方程作為自然科學中最為複雜的方程之一,針對現實引力波源解析求解基本沒有希望。好在數值求解對於引力波數據處理就已經足夠。數值相對論就是這麽一個理論研究方向。對於複雜的愛因斯坦方程,即使數值求解也已經折磨得人們絞盡腦汁。經過約半個世紀的苦苦掙紮,數值相對論在2005年後得到突破性發展。最終結合後牛頓近似,為LIGO服務的有效單體數值相對論理論模型(EOBNR)被建立起來。這次LIGO成功探測到引力波信號正是基於該理論模型。也正因為此,LIGO在物理學評論快報上的文章稱得到的信噪比24為匹配濾波信噪比(matched-filter signal-to-noise ratio)。所以可以說這次LIGO的成功既是實驗技術的成功,也是理論研究的勝利。

左圖是數值相對論計算所得引力波的空間分布行為,右圖是數值相對論所得引力波形(紅線)與有效單體數值相對論理論模型(綠線)的對比(數值相對論結果為AMSS-NCKU軟件包計算所得)。 (CFP/圖)

最後讓我們通過幾個主要數據來回顧LIGO在升級初步完成階段就觀測到引力波的GW150914事件。此次探測到的引力波是距離我們地球約13億光年的雙黑洞合並過程中輻射出來的。在此過程中兩個黑洞相互繞轉,不斷吸引,最終合而為一,變成一個黑洞。開始時,這兩個黑洞的質量分別為29個太陽質量與36個太陽質量。最後合二為一的黑洞質量為62個太陽質量。就是說合並後的總質量少了三個太陽質量。

根據愛因斯坦的狹義相對論,我們有質能關系,即質量可以轉化為能量。這丟失的三個太陽質量,正是以引力波的形式向四周輻射出去的。這三個太陽質量的丟失其實並不特別讓人震驚。太陽也在損失質量,只不過主要通過聚變方式將核能以電磁波的方式釋放出來。我們地球上的生物僅靠著這一個太陽輻射的能量就可以生存長達一百億年。

讓人震驚的是這三個太陽質量的能量竟然是在不到1秒的時間內輻射出來的!引力波GW150914的另外一個特點是頻率由小變大,最後還發出一聲猶如鐘響的聲音。前者是因為兩個黑洞在彼此靠近時,它們的繞行頻率會變得越來越大。而最後一聲有如鐘響是因為余音漸漸被合並成的大黑洞給吃掉了。根據這個余音的特征,我們可以反推出這個合並後的大黑洞的質量與轉速。最後值得一提的是這次數據信號置信度達到了5.1σ,就是說有99.99998%的把握是正確的,按照科學實驗的慣例達到了被稱為發現的標準。

LIGO此次對並合雙黑洞引力輻射的成功探測,進一步驗證了愛因斯坦廣義相對論的正確性,再一次讓人感受到愛因斯坦的偉大,也更讓人深刻體會到理論和思辨在推動科學向前發展過程中所起的巨大作用。在MIT工作的實驗物理學家Rainer Weiss提出了建造LIGO的原始想法,對於此次發現,他說:“你根據愛因斯坦理論計算出來的東西看上去和信號幾乎一樣,這真是一件不可思議的事情!”成功探測到引力波的同時,大家還忽視了另外一個重要的事實,那就是此次觀測也是天文學史上真正意義上第一次直接觀測到了雙黑洞系統,也是首次捕捉到雙黑洞並合過程的直接證據。霍金(Stephen Hawking)在接受BBC專訪時說:“引力波提供看待宇宙的嶄新方式,發現它們的能力有可能使天文學產生革命性的變化。這項成果首次發現了黑洞的二元系統,首次觀察到黑洞融合。”

引力波開創怎樣的新時代

LIGO探測到引力波信號的新聞發布後,引起了全球性的轟動。麻省理工學院(MIT)校長罕見地就人類首次探測到引力波致信全校:“我們今天所慶祝的(引力波)發現體現了基礎科學的悖論,它既是辛苦的、嚴謹和緩慢的,又是激動人心的、有革命、啟迪意義的。沒有基礎科學,最好的猜想充其量依然是猜想,“創新”也只能是修修補補。隨著基礎科學的進步,社會也就進步。”

加拿大理論物理圓周研究所是國際著名研究機構,當多數物理學家聚集在一樓餐廳觀看新聞發布會現場直播聽到宣布發現引力波那一刻,掌聲雷動。而愛因斯坦當年任職的普林斯頓高等研究院,歡慶程度也宛如打贏了世界大戰。

而國內各大新聞媒體與網絡交流平臺也爭相報道,各微信朋友圈都被引力波的新聞刷屏,瞬間激起了大家對引力波和廣義相對論時空理論的好奇,更有不少網友提出了許多有趣而值得探討的問題,引力波輻射能否用於通訊?引力波會對人體產生危害嗎?是不是需要生產防引力波輻射的孕婦服?什麽叫時空的漣漪?《三體》里面描述的未來世界會不會成為現實?不必要真弄懂廣義相對論的時空理論,大家在引力波被發現的事件里體驗得更多的是基礎科學給人類文明帶來的巨大進步與沖擊。大家都真心希望我國的科學研究邁上一個新臺階,在不久的將來也能有這樣劃時代的激動人心的科研成果與事件。

現在,我們國內基礎研究實力依然相對薄弱,人才相對匱乏,因為做基礎研究需要坐得住冷板凳,需要長時間集中精力思考和解決一些並不能馬上帶來經濟效益的科學難題,乃至需要冒著長時間出不了論文等科研成果而帶來的經濟與生存壓力。特別是引力物理的研究,相較於其它基礎科學領域,需要的知識更加艱深難懂,科學問題的難度更大,從而難以在短時間內取得突破性進展,由此帶來的後果便是人才顯得更為匱乏,相比於一個LIGO科學團隊就有上千人參與的規模,我國每年一度的引力與相對論天體物理學術年會參加的研究人員與學生加在一起,也就三百人左右,而真正活躍在科研前沿的科研人員就更少。

現在引力波被直接探測到了,中國是否有必要繼續建設引力波探測基地並推動與此有關的理論研究呢?答案無疑是肯定的,正如我們前面所看到的電磁波的發現給人類文明帶來巨大推動一樣,雖然短時間內,因引力波信號的極其微弱難以馬上被應用於人類日常生活,但是我們堅信引力波是大自然賜予人類的一個嶄新工具,一雙全新的千里眼,必將極大推動人類文明的進步。試想一百年前誰能想象得到我們可以有手機這樣的移動通訊工具呢?而電磁波的發現,距今才短短的128年!隨著我國國力的不斷增強,與科研上不斷增加的投入,大家相信我國基礎科學的研究一定會取得長足的進步與發展。

引力波探測將人類探索宇宙發現真理的歷程帶入一個嶄新的時代,而LIGO此次對合並雙黑洞引力輻射的成功探測,只是這個新時代的開始。接下來,我們有理由相信對原初引力波的探測將為人類理解宇宙的起源開辟新的途徑。當地面探測引力波工程取得重要成果的時刻,空間引力波規劃也在緊鑼密鼓地展開,我們有理由相信對不同頻段引力波的探測將為人類了解星體演化與黑洞形成打開全新的窗口,我們也有理由相信,引力波的發現將為經典廣義相對論與量子理論的融合提供新的思路與檢驗方案,而最重要的,我們更期望引力波能夠繼電磁波之後成為通訊的新媒介,並最終走進我們的日常生活,為人類所用,為人類造福。

 

LIGO 為什麼 能夠 成功 除了 引力波 引力 還有 其他 忽視 發現
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引力波,股市 xuyk的博客

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    愛因斯坦100年前創立了廣義相對論,隨後他根據這個理論推斷:宇宙中大質量天體發生劇烈變動會使時空扭曲,產生引力波。今年2月11日,美國激光幹涉引力波天文臺(Advanced LIGO)宣布,他們終於探測到由兩個黑洞合並而產生的引力波,這是人類第一次直接探測到引力波,首次“聽”到宇宙的聲音。

    引力波以光速傳播,它與物質的相互作用極其微弱,所以引力波可以給我們提供幾乎無阻擋的宇宙圖景,而利用以前的電磁波(比如,射電望遠鏡)就無法做到這點。比如,利用引力波能夠發現與探知黑洞的成因及演化,從而“聽”到宇宙最早期的形成過程,而電磁波遠遠不能探測到這麽早。所以,從目前來看,引力波將是了解宇宙形成的最好工具,可以一窺宇宙初生,解開更多宇宙之謎。

    這里,引力波雖然是由黑洞產生的,但若要了解黑洞,你說是直接去探索黑洞容易呢,還是通過引力波更容易?黑洞與引力波哪個更複雜?不言而喻。

    股市與宏觀經濟的邏輯關系好像也有點類似於引力波與黑洞的關系吧?

    本人在前篇小文《投資未必需要預測宏觀經濟》中說到:股市是市場經濟的產物,是宏觀經濟的反映,決定其走勢的根本力量是宏觀經濟的走向,當市場預期宏觀經濟健康發展時,牛市隨之而來;反之,熊市不可避免。有不少朋友以為,既然股市的走勢最終是由宏觀經濟決定的,那麽只要充分了解並掌握宏觀經濟的運行,股市不就可掌握在自己的股掌之中了?殊不知,這是把認識事物的邏輯搞顛倒了。因為股市只不過是宏觀經濟中的極小一部分,所以宏觀經濟運行的複雜性和不確定性遠遠大於股市。股市本是為了促進宏觀經濟的發展而建立起來的,就像是一個宏觀經濟的簡縮版本,為的是通過市場的力量來幫助宏觀經濟的運行,比如,為了優化資源配置,提高經濟效率,提升經濟體價值,等等。有人把股市比喻為晴雨表,認為是宏觀經濟的先行指標,所言有點道理的。這里,宏觀經濟好比是黑洞,股市則好比是引力波,這樣的話,你說宏觀經濟與股市哪個更為複雜、更具不確定性?對於宏觀經濟,我們是直接去搞透它容易呢,還是通過股市去了解更容易?這與“引力波與黑洞的關系”不是類似嗎?

    事實上,宏觀經濟也確實很複雜,難以掌控,即便是總統、首相、總理、大臣等人也都奈何不得,更何況我等一介屁民了。安培經濟學、凱恩斯主義、諸國貨幣狂發、“四萬億”……事後看看哪個不是“病急亂投醫”的?不過這也難怪,因為沒人會比市場更高明。你想,倘若宏觀經濟真的可以完全徹底地搞清楚並人為掌控,那還需要股市幹嗎?倘若做股票非要精通宏觀經濟才行,那(宏觀)經濟學家都是股神了,但實際上是這樣的嗎?

    還有,為使宏觀經濟運行得更好,股市應運而生,盡管長期來看它是宏觀經濟的反映,但由於經濟發展的路徑是不確定性的,比如,在市場經濟運行中,“繁榮、衰退、蕭條、複蘇”周而複始,而各個周期的時間長短、盛衰程度都是很不確定的,因此股市也就必然沒有確定性可言。這也就是說,股市不是始終有效的。有研究表明,即便是成熟度很高的美國,從階段性表現來看,股市與宏觀經濟也只是呈弱相關性,更何況A股,無效性就更厲害了。所以說,如果你立足於宏觀經濟來判斷股市牛熊轉換(拐點),推測波段起伏大小,以此作為投資指南,決定進出,那命中率和有效性會怎樣可想而知。

    竊以為,做股票還是簡單一點為宜,而以宏觀經濟為主要依據來判斷股市,無疑是“從複雜走向複雜”,與其先要搞透極其複雜的宏觀經濟,進而搞定也相當複雜的股市,還不如把立足點直接放在股市上,根據其基本規律行事,這樣也許更簡單,更靠譜,更有效。當然,了解宏觀經濟對於判斷股市具有一定的參考作用。

    再有,如果稍微深入觀察一下,不難發現,依據宏觀經濟來做股票的人,大多數本質上是趨勢派,他們往往會拿預測宏觀經濟趨勢的好壞程度來衡量股市的牛熊大小,看到宏觀經濟趨勢不妙,便判定股市還得走熊;反之,股市還會再牛。於是乎,為了躲避再跌,不惜低位(割肉)賣出;為了追漲獲利,不怕高位買入。你說,這麽搞法賺錢怎會不難?投資怎會順利?

    我的媽呀!引力波,股市!

引力波 引力 股市 xuyk 博客
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《科學》雜誌評選2016十大科學突破:發現引力波奪冠

美國《科學》雜誌22日公布了其評選的2016年十大科學突破,有“時空漣漪”之稱的引力波被發現當選今年頭號突破。

今年2月,參與美國“激光幹涉引力波天文臺(LIGO)”項目的研究人員聯合宣布,他們利用LIGO的兩個探測器於2015年9月14日探測到來自兩個黑洞合並產生的引力波信號。這填補了愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的“拼圖”。

據新華社報道,《科學》雜誌的解讀文章說,引力波的發現證實了愛因斯坦在一個世紀前的預測,“震動了科學界”。這一成功來之不易,因為愛因斯坦本人都曾懷疑引力波是否真的存在,而且即便存在,也可能由於信號太弱而無法探測。“現在,物理學家正熱切期待接下來會發生什麽,因為引力波能以全新的方式來探索宇宙。”

引力波的發現今年以來已獲得多個國際重要獎項,包括一年一度的美國“科學突破獎”,它也入選英國《自然》雜誌評選的2016年度重大科學事件。

《科學》雜誌評選的今年另外9個重大科學突破分別是:

離我們最近的系外行星:比鄰星是距太陽系最近的恒星,今年天文學家發現一顆環繞比鄰星運行的類地球行星,其表面溫度理論上適合液態水存在。他們認為這個新發現的世界為詳細研究太陽系外行星提供了最佳機會。

“人機大戰”電腦獲勝:人工智能程序“阿爾法圍棋”擊敗當時世界排名第二的韓國棋手李世石。就在10年前,許多專家認為電腦絕不會在圍棋上戰勝人類的世界冠軍。

殺死衰老細胞葆青春:今年2月發表的一項動物研究顯示,清除衰老細胞能使小鼠的器官更加健康,從而使壽命延長超過20%。同一個研究小組10月還報告說,清除衰老細胞能幫助小鼠減少動脈硬化斑塊的形成。

猿類“讀心術”:研究人員利用黑猩猩、倭黑猩猩和猩猩開展的一項研究顯示,猿類可能也能揣測“他人”的心思,甚至知道“他人”的看法是不正確的,這意味著猿類與人類的相似之處可能超出了我們此前的認知。

設計人工蛋白:科學家已學會設計並合成非天然的蛋白質,為開發新藥物與材料打下基礎。

純體外培育卵子:日本研究人員利用實驗鼠的誘導多功能幹細胞,首次全程在體外培育出正常卵子,並且通過人工授精獲得健康後代。

走出非洲:3個獨立的研究顯示,非洲以外的大多數人群的祖先都可以追溯至數萬年前的一波走出非洲的大遷徙。

手持式測序儀:英國牛津納米孔公司利用一種名為納米孔的突破性技術開發出手持式DNA測序儀。與現有技術相比,這種測序方法更加便捷、廉價。

超材料鏡頭:哈佛大學研究人員利用高約600納米的二氧化鈦“納米磚”堆出一塊輕薄如紙的超材料鏡頭。如果能夠廣泛應用,未來的智能手機和相機都會變得超級輕薄。

科學 雜誌 評選 2016 十大 突破 發現 引力波 引力 奪冠
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