原標(biāo)題:陳雁北: 愛因斯坦都不敢想象,, 我們真的探測(cè)到引力波,!
100年前,,當(dāng)愛因斯坦預(yù)測(cè)引力波的存在的時(shí)候,,他不曾想過,,有朝一日,,人類能夠真正觀測(cè)到應(yīng)力波:這個(gè)效應(yīng)是如此的微弱,,無法察覺,。
今天,,2016年2月11日,,北京時(shí)間23:30分,加州理工學(xué)院,、麻省理工學(xué)院,、LIGO科學(xué)聯(lián)盟、以及美國國家科學(xué)基金會(huì),,向全世界宣布: 我們真的探測(cè)到引力波!
相關(guān)論文,,以O(shè)bservation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger為題,在Physical Review Letters上發(fā)表,。論文作者包括清華大學(xué)LSC引力波研究團(tuán)隊(duì),。
知社學(xué)術(shù)圈特邀請(qǐng)論文作者之一、LIGO科學(xué)聯(lián)盟核心成員,、加州理工學(xué)院陳雁北教授,,和中國引力波專家、湖北第二師范學(xué)院范錫龍博士,,撰文介紹引力波探測(cè)漫長曲折而又激動(dòng)人心的經(jīng)歷,,和一些鮮為人知的花絮, 從300年前的引力,,100年前相對(duì)論,,一直講到今天的引力波,。
愛因斯坦都不敢想象,我們真的探測(cè)到引力波,!
廣義相對(duì)論中的時(shí)空幾何,,就是會(huì)讓本來速度彼此平行的自由下落物體彼此接近或者遠(yuǎn)離。像牛頓引力中的蘋果落地一樣,,廣義相對(duì)論中的彎曲幾何也可以用蘋果解釋,。在蘋果的表面,如果畫一些起初平行的曲線,,并且以同樣的初速度從這些平行曲線出發(fā),。那么根據(jù)這些平行曲線的位置和走向不同,它們有的會(huì)彼此靠近(正曲率),,有的會(huì)彼此遠(yuǎn)離(負(fù)曲率),。
愛因斯坦聯(lián)系時(shí)空幾何和物質(zhì)分布的方程,可以寫成一個(gè)非常簡潔的張量形式:
在70年代,,科學(xué)家又從數(shù)學(xué)上推斷出黑洞的一些其他性質(zhì),。一方面,數(shù)學(xué)家證明了一系列的“黑洞唯一性”定理,,顯示具有“視界”并且沒有物質(zhì)的時(shí)空只能是有限的幾個(gè)黑洞的時(shí)空結(jié)構(gòu),。另一方面,《黑洞微繞論》的創(chuàng)立讓物理學(xué)家從直觀上論證了在星體塌縮成黑洞的過程中,,黑洞的幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的過程,。當(dāng)霍金等物理學(xué)家把量子力學(xué)用在黑洞上時(shí),驚奇地發(fā)現(xiàn),,黑洞也會(huì)通過所謂的”霍金輻射”蒸發(fā),。
天文學(xué)中的黑洞
黑洞在數(shù)學(xué)上奇妙的性質(zhì),引起了人們的無限遐想,,也成為科幻作品的重要題材,。可是,,它是不是真實(shí)的物理存在呢,?科學(xué)上要證明一個(gè)物體的存在,至少要觀測(cè)到它對(duì)別的物體的效應(yīng),。
閉門造黑洞是不行的,,要抬頭看天!
天文觀測(cè)中,,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些疑似黑洞的物體,。由于對(duì)愛因斯坦理論的信任和青睞,天文學(xué)家們一致認(rèn)為這些物體就是黑洞,。
第一類物體的質(zhì)量是太陽的幾倍到幾十倍,,它們存在于X-射線雙星里,,并且尺寸小于幾十公里。按照廣義相對(duì)論的計(jì)算,,這樣的物體必須是黑洞,。這些物體發(fā)出的X-射線是由黑洞的伴星放出的氣體在往黑洞下落的時(shí)候相互擠壓、摩擦,、加熱發(fā)出的,。
第二類物體是存在于星系中心的超大質(zhì)量黑洞,具有可以超過幾十,、幾百萬倍的太陽質(zhì)量,,并且也有很小的尺寸,讓大家推測(cè)這些也必然是黑洞,。比如,,在銀河系的中心,就有一個(gè)四百萬太陽質(zhì)量的黑洞,。在另外一些星系中,,有氣體不斷掉入黑洞,在黑洞附近形成一個(gè)繞著黑洞旋轉(zhuǎn)的“吸積盤”,,并且在黑洞的旋轉(zhuǎn)軸附近發(fā)出“噴流”,。這樣的一個(gè)系統(tǒng)叫做活動(dòng)星系核,它會(huì)發(fā)射的強(qiáng)烈電磁輻射,,是天文觀測(cè)的一個(gè)重要目標(biāo),。
還有一類物體是中等質(zhì)量的黑洞。它們可能產(chǎn)生于小質(zhì)量黑洞并合,,或者小黑洞吃掉很多恒星,或者是通過宇宙早期的大質(zhì)量恒星塌縮而形成,。在某些低光度的活動(dòng)星系核,,超亮X-射線源和球狀星團(tuán)中有一些它們的蹤跡。