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得了诺贝尔奖的引力波究竟有多厉害?

时间:2017年10月13日 00:06   浏览:142   来源:哈尔滨现代公共关系职业学院


2017 年 10 月 3 日,我提前结束了远在河南家乡的 " 十一 " 长假回到北京,准时赶到了果壳网的 2017 年诺贝尔奖点评直播间,和主持人吴欧、清华大学的王青教授、北京师范大学的张帆副教授聊 2017 年的诺贝尔物理学奖。

在等待开奖之前的尬聊中,主持人要我预测今年的物理学奖,我毫不犹豫地说:当然是发现引力波,否则就没有天理了!

果然,最终诺奖委员会宣布的结果和我以及物理学界大部分学者的预言完全一样:2017 年的诺贝尔物理学奖授予了三位美国物理学家,表彰他们对于研制激光干涉引力波天文台以及利用该天文台发现了引力波做出了决定性的贡献。

我错了,黑洞的确经常火并

2016 年 2 月 12 号,也就是 LIGO 团队宣布发现了引力波的第二天,我发了一篇文章,题目是《一瓶茅台作赌注:下一个引力波事件要等到猴年马月吗?》。这篇文章的起因,是我在一篇文章里面写了这样一句话:" 不过,下一个引力波事件恐怕真的得等猴年马月了。"

写这句话是因为我认为宇宙中黑洞火并产生引力波的事件应该极为稀少,LIGO 探测到了一个纯属运气,后面再探测到恐怕就得等到升级灵敏度提高以后了。但是我的同行好朋友王力帆教授看到后表示不同意,他认为探测到了一个,后面就应该噼里啪啦的接着探测到一批。

所以我俩就打了一个赌,如果 LIGO 升级之前还能探测到引力波,就算我输了,否则他输。赌注是一瓶茅台,国家天文台副台长薛随建研究员是证人。

当然结果大家都知道了,LIGO 在升级之前又探测到了三个引力波事件,所以我输了,黑洞的确经常火并!

我当时为什么写了那句王力帆教授不同意的话呢?这和当时大家讨论的一件事有关:LIGO 探测到引力波什么时候能够拿到诺奖?我在那篇文章里面是这么写的:

"

很显然 LIGO 探测到这个引力波事件是诺奖级的成果,因为科学界早就有共识,第一次直接探测到引力波,应该获得诺贝尔物理学奖。但是我倾向于认为,如果引力波探测的结果仅仅是这个,要拿到诺奖恐怕不易!原因在于,需要有独立的结果或者方法检验或者验证这个结果,或者这个实验发现新的、但是不同的引力波事件。

"

我不认为这个实验能够很快地发现更多的其它类型的引力波事件,原因在于他们看到的黑洞并合事件应该是非常稀有的,但是恰好这类事件的引力波信号比较强,所以他们看到了;其它类型的引力波事件肯定多得多,但是信号弱,现有的仪器很可能看不到。

即使由于我们不理解的原因,黑洞并合事件很多,但是天文界的一个传统就是:需要找到其它的信号独立验证,比如电磁波信号。

有趣的是,尽管我输了一瓶茅台酒,但是我上面说的他们拿诺奖的条件倒是全部达到了,他们探测到了 4 次黑洞火并产生的引力波,而且这四次的黑洞以及产生的引力波都不一样。更加有趣的是,天文学家竟然也观测到了两个中子星火并产生引力波的时候产生电磁波辐射信号,据说这个结果将在 2017 年 10 月中旬正式发布。这就是为什么我很确信今年的诺奖必然会授予引力波的发现!

引力波有什么用?

防引力波辐射?

我作关于引力波的科普报告或者公众演讲的时候,或者我被记者采访有关引力波的事情的时候,每一次,绝对是每一次,我都会被问到这个问题:

引力波有什么用?

取决于我当时的心情或者是谁问我,我会在下面这几个答案中选一个回答:

1)什么用都没有,但是在研究如何探测引力波的过程中,科学家研制出来的技术非常有用,因为探测引力波需要世界上最精密的测量技术,技术水平远远超越目前工业的水平,因此这些技术对人类非常有用。实际上,LIGO 团队研发的有些贴近目前工业水平的技术已经得到了应用,更多的远远高于目前工业水平的技术,未来肯定会得到应用。

2)艺术有什么用?但是人类在艺术上花的钱远远比在科学上花的钱多。有一次一个女生回应说,艺术让我感到幸福啊,我说,引力波让科学家感到幸福,科学家幸福了,人类就幸福了。

3)就像 100 年前物理学家们研究相对论和量子力学的时候,没有人知道这些理论对我们有什么用一样,今天我们也不知道研究引力波对我们有什么用。但是相对论和量子力学建立之后 100 年,我们的现代科技和日常生活都已经离不开根据相对论和量子力学的原理所发展出的日新月异的技术了,从半导体到超级计算机,从核能到 GPS 导航,从医学诊断设备到量子通信,无不是如此。100 年后,谁知道引力波的研究会带给我们什么呢?科学研究的重要性,就在于会带给人类完全预想不到的惊喜,其回报总是无数倍于其投资!

另外一件令人哭笑不得的事情是,在引力波刷屏之后,网上出现了众多的引力波产品,大部分都是用于防引力波辐射的,因为大家只要看到 " 辐射 " 这两个字就会吓尿——既然引力波已经到达地球了,当然要想办法防引力波辐射!而专门为孕妇做的防引力波辐射服似乎最畅销。信不信由你,还真有朋友咨询我哪一家的孕妇防引力波辐射服效果最好。我的回答是:如果孕妇能够感受到引力波的伤害,也就不需要上千个科学家花几十年的时间而且花了美国科学基金会历史上最大的一笔经费做引力波的探测了,只需要让孕妇告诉我们被引力波击中是什么感觉就行了!

引力波无法屏蔽,也无法防,因为引力波能够穿透宇宙、穿透地球;当然引力波也不需要防,因为引力波对我们的影响远远没有我们自己呼吸对自己的影响大,好的影响、坏的影响都算上。

引力波探测的未来和中国的计划

地面探测引力波的装置除了 LIGO 之外,在意大利和德国也有类似的装置,而意大利的那个装置也探测到了一次引力波。澳大利亚、印度和日本也都在计划或者研制类似的引力波探测器。这些激光干涉仪一起构成的网络可以用来精确的定位引力波源。

下一代的激光干涉仪计划,如爱因斯坦望远镜将建造在地下,由三个 10 千米长的臂构成等边三角形,每个角上放两个探测器,可以用来探测引力波的偏振,获得更多的信息。我国相关大学及研究所也在计划建造地下激光干涉引力波探测器。

由于受到地球引力梯度的限制,在地面上不可能观测频率低于 1 赫兹的引力波。如果要探测更低频率的引力波,就需要在空间进行探测。计划中的空间探测引力波计划有欧空局的激光干涉空间天线计划(LISA),日本的分赫兹干涉引力波天文台、中国科学院的太极计划,以及中山大学的天琴计划等。

此外,脉冲星测时阵可以通过观测引力波对电磁波在空间传播过程中的影响来探测引力波,这种方法可以测量到频率更低的引力波。国际上的脉冲星测时阵有欧洲脉冲星测时阵、北美纳赫兹引力波天文台、Parkes 脉冲星测时阵等国际脉冲测时阵。中国科学院的 110 米口径全可动射电望远镜和 500 米口径球面射电望远镜(FAST)天眼望远镜,也可以通过脉冲星测时阵方法测量引力波。

宇宙极早期暴涨时期的量子涨落会产生原初引力波,2014 年声称发现了宇宙大爆炸产生的引力波的那个乌龙就属于这种探测。国际上目前有多个地面望远镜在开展这种探测实验,也有空间实验计划。到目前为此,还没有发现原初引力波。我所在的中国科学院高能物理研究所,正在中国的西藏阿里天文台建造类似的宇宙微波背景辐射望远镜,称为阿里计划。

引力波探测正在成为一个非常活跃和竞争激烈的领域。短期之内,引力波将成为科学家进一步探索宇宙和发展科学理论的有力工具。利用进一步的更加高精度的引力波观测,科学家有望回答黑洞到底是什么?是数学家和理论物理学家们预言的奇点 " 数学黑洞 ",还是我和我的学生刘元所预言的中心没有奇点的 " 天文黑洞 ",还是为了保证量子信息守恒而推测的 " 火墙黑洞 ",还是最近炒得很热的 " 软毛黑洞 "?广义相对论理论是最好的引力理论吗?能否测量到 " 引力子 "?能否提供检验有些量子引力理论模型所需要的观测数据?除了促进黑洞和广义相对论的研究,探测到黑洞和中子星或者两个中子星的并合,将能够促进我们对于中子星的内部结构的理解,也许能够回答所谓的 " 中子星 " 内部到底主要是由中子还是夸克组成的这个中子星研究的终极问题。

2017 年的诺贝尔物理学奖对百年现代物理学做了一个了断,同时开启了科学史上一个激动人心的新时代。很幸运,我们目睹了这个伟大的事件!

本文节选自张双南小讲《极简天文课:引力波与现代物理学的新时代》。


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