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關於發現中子星引力波,我們該關注什麼?


IT之家要聞大家好,給大家介紹一下,這是引力波領域一年多取得的微小成績:次捕獲引力波信號、次獲得諾貝爾獎、牽動數十個國家開展相關計劃、調集多個機構投入研究,以及永遠不可逆地改寫了人類歷史。去年月公布LIGO成功捕捉引力波的時候,其實就已經預定了諾貝爾物理獎。問...

- 2017年11月15日04時53分
- 科學文摘 / IT之家要聞

IT之家要聞

大家好,給大家介紹一下,這是引力波領域一年多取得的微小成績:

5次捕獲引力波信號、1次獲得諾貝爾獎、牽動數十個國家開展相關計劃、調集1000多個機構投入研究,以及永遠不可逆地改寫了人類歷史。

去年2月公布LIGO成功捕捉引力波的時候,其實就已經預定了諾貝爾物理獎。問題只是去年還是今年頒獎而已。連以慎重著稱的諾貝爾,都必須以最快速度給引力波頒獎,也從側面證明了這件事的意義。

就在剛剛過去的10月16號,引力波探索又一次搞了個大新聞。在LIGO的牽頭下,這次全世界70多架天文望遠鏡,從各個角度觀察到了兩顆中子星合併發出的引力波。其中就包括中國的南極巡天望遠鏡和中國第一顆空間X射線天文衛星慧眼望遠鏡。

大多數人更願意為「第一次」鼓掌。這次全球天文界共同搞出的「大新聞」雖然是人類第5次捕捉引力波,但價值依舊非凡。這裡我們用幾個問答來總結一下它的意義,希望能夠幫助大家在不必弄懂複雜物理與天文學理論的情況下,儘可能了解發現引力波之路的真實腳步。

畢竟在前往廣袤未知的航程中,每一點螢火都難能可貴。

什麼是引力波?

去年到現在,介紹引力波的文章已經不勝枚舉,但為了文章的整體性,咱們還是先來了解一下大名鼎鼎的引力波。

根據愛因斯坦的廣義相對論,物質會在時空中產生影響。最出名的那個例子就是,你家樓上的時間會過的比你家的時間快。這是因為地球本身的質量影響了時空曲率,越靠近地球受到它的影響就越大,時間就會流失的慢一點——當然,這個一點是絕對沒可能被人類感覺到的。

地球對時空施加的這種影響,就是地球的引力波——也就是所謂時空的漣漪。

(廣義相對論認為:時空就像一張薄膜,而物質改變了時空的形狀)

在100年前,這只是愛因斯坦的一個假設。因為引力波實在太小了,根本無從驗證它是否真的存在。我記得很清楚,小時候讀介紹廣義相對論的科普讀物,都是言之鑿鑿地認為引力波只是設想。雖然有很多實驗嘗試驗證它,但距離真正的實驗結果出現遙遙無期。

黃粱一夢,一轉眼不可能變為了現實。

最終人類驗證引力波的方案,是藉助宇宙中巨型天體的碰撞。畢竟地球太小了,所發出的引力波微不足道。而且就算夠大,也不能把地球炸了做次實驗吧。所以質量比太陽大幾十倍的黑洞碰撞,以及這次發現的中子星合併,成為捕捉引力波的最佳途徑。

即使如此,這些天體劇變產生的引力波也只會經歷上萬光年之後,在地球停留短短的一秒。那麼問題來了,人類怎麼捕捉它呢?

LIGO如何捕捉引力波?

今年獲得諾貝爾物理學獎的三位科學家,貢獻在於從不同方面幫助建成了捕捉引力波的裝置LIGO。

相比於「觀測」,確實「捕捉」一詞能夠更準確的形容LIGO的工作。

所謂LIGO,全稱是「雷射干涉引力波天文台」,這個名字也闡明了這個跨時代發明的工作原理。簡單來說,LIGO是應用光學中的干涉現象,通過發射出多次反射的大功率雷射,一旦環境變化,雷射的相位會相應變化,就產生了記錄波頻的干涉條紋。

每台LIGO,都是由兩條4公里長的手臂組成的L型儀器。引力波經過時,時空產生微小的晃動,兩條臂的結構就會產生變化,從而反映在雷射束上。改進後的LIGO,可以測量萬分之一個質子直徑尺度上的變化,堪稱人類精度最高的儀器之一。並且其系統還在持續升級,預計會在2021年達到設計中的巔峰測量精度。

(荒野上壯觀的LIGO)

美國目前共有兩台LIGO投入工作,分別位於美國的西北和東南方,相距3000公里。假如兩台設備共同記錄下了同樣的波頻,才能確信是引力波無誤。人類歷史上發生過好幾次測量到虛假引力波的烏龍事件,而LIGO能夠一舉說服學術界,也是因為兩台超大型設備共同驗證的結果。

(人類首次捕捉到的引力波信號)

LIGO的成功絕非一日之功。在70年代,麻省理工和加州理工學院等幾個科研機構就紛紛開始了探索引力波項目。但各自為戰造成了資源不集中,無法建成大型精密儀器。1984年,兩所院校決定將資源和人才結合到一起,共同打造LIGO項目。1990年,美國國家基金會批准了LIGO計劃,此後經歷數次計劃調整,直到1999年LIGO才得以建成。

2000年到2010年,LIGO收集了10年數據,結果卻依舊沒有證明引力波的存在。隨後又開始了5年的大規模檢修和升級。終於,升級版的LIGO一戰成功,在愛因斯坦提出廣義相對論100年整的時候證明了這條時空深層的法則。

從立項到成功,LIGO經歷了30年,只為了證明一個很可能不存在的假說。科學的代價和勇敢,在兩台無比精密複雜的儀器中得到了最好展示。

此次發現中子星合併引力波意義何在?

由於引力波是一種不生不滅的能量震動,所以宇宙各個方向的天體劇變送來的引力波應該是源源不斷的,一旦人類掌握了捕獲這條信息的知識,後續用其指導天文學和實驗物理學的多元探索也就成為了可能。

而這也是這次中子星合併引力波被發現帶來的最大啟示。

此前LIGO捕捉的引力波,都是黑洞合併過程中產生。但是黑洞合併並不會拋出元素以及產生電磁現象。這就讓人類無法判斷引力波與元素生成、電磁效應之間的關係。

而這次捕捉到中子星合併產生的引力波,就填補了這一領域的空白。中子星合併會產生複雜的電磁輻射,還很可能關係著金、銀等超鐵元素的產生原理,這對於人類認識宇宙與元素都有著重要的意義。

拋開學術上的價值,這次發現更重要的意義在於讓LIGO系統和歐洲版的引力波探測系統Virgo,與全球範圍內的地面天文望遠鏡、空間天文望遠鏡產生了協作。因為中子星合併不僅能夠釋放引力波,更可能產生各種光子、紅外線、X射線條件下的可觀測現象。所以LIGO在捕獲引力波後,極短速度通知了1000多家天文機構,調動70多台大型天文望遠鏡對1.2萬光年外進行了觀測。堪稱天文界的全球狂歡。

這次觀測成功,意味著以後這種模式很可能成為常態。發現引力波,表示黑洞一類的巨型天體在發生變化,跟隨引力波的來源,人類可以集中力量觀察這些宇宙中的龐然大物,揭開關於時空的謎題。

換句話說,引力波觀測將開始同天文觀測體系融為一體,進化出聽覺視覺完備的整體感知能力。

下一步要做什麼?

這次對中子星合併引力波的捕獲,證明了引力波探測裝置不僅可以觀察黑洞變化,也可以適用於其他天體。這或許將成為一個開端,標誌著用引力波探測多種天體變化的嘗試陸續啟動。

接下來最可能在短期內實現的,是用同樣的技術手段觀察到黑洞與中子星合併產生的引力波。這意味著人類將開始探索黑洞吞噬星體時會產生怎樣的能量變化,能量和元素產生怎樣的改變。甚至可能啟動關於「暗物質」的觀察和研究。

而接下來引力波的探索有兩個主要方向:一是去探索更加微弱的引力波,比如白矮星等天地合併產生的低頻引力波。這對於人類研究恆星和星系意義非凡,但目前的精度技術還無法滿足這種需求。

另一個更偉大的目標,是嘗試收集宇宙大爆炸產生的原始引力波。因為引力波不死不滅,所以原始引力波很可能還孤獨的迴蕩在宇宙中。找到他們,或許標誌著人類開始認識宇宙的起源與物質的創生,更有可能開始探測光產生之前的原始宇宙。當然,這要求的技術難度更大,不知何時才能實現。但話說回來,人類總是善於給自己驚喜。

在研究方向之外,另一個可預見的未來是研究引力波的各種計劃將陸續展開。目前歐洲、日本、印度都在修建新的類似LIGO的引力波觀測設備。而中國也開啟了「閃電計劃」等引力波觀測與研究項目。

在耀眼的成績和國家間的競爭性投入下,引力波的黃金時代已經開啟。這裡有一個時間節點十分值得期待。那就是2020年到2021年間,LIGO的捕捉精度將達到設計中的巔峰值,大量各國的空間天文望遠鏡、高能區探測衛星,都將配合LIGO升級的時間點進行籌備。屆時,人類對宇宙的認知或許會獲得一次小飛躍。

很可能一段時間之後,人類的目標就不再僅僅是感知引力波,而是進一步窺探時空漣漪背後的真相。

探索引力波對普通人有價值嗎?

最後,或許我們還是無法免俗,要來討論一下探索引力波的所謂「商業價值」。

畢竟時空這種事對於普通人太遠了,更多時候一個人不會考慮發現電磁波的意義與學術價值,而是會考慮手機信號怎麼樣。

雖然引力波本身太過前瞻,難以在短時間內看到應用價值。但在探索引力波中科學界做的不懈努力,其實是很可能轉化為民用的。

比如LIGO在30年的建設中,為了保證極致的精度、極強的抗干擾能力、去噪能力,完成了大量技術突破。要知道,地殼運動的震顫、數千公里外海浪拍打岩石的聲音、溫度的略微上升,都可能對LIGO的探測造成影響。在精準這件事上,引力波探索不斷挑戰著人類的極限。

而LIGO中的很多精度技術,未來很可能轉化到半導體行業,成為晶片等高精度製造行業進一步進化的基石。比如超細的電晶體如何抗干擾等等,都已經在探索引力波的過程中被人類征服。

此外,引力波的精度捕捉技術也可以轉化為民用和軍用的精準定位技術,成為無人化機械、無人駕駛,以及極端條件地形感知的技術突破。

引力波探索中,還衍生了人類對雷射和呈像的全新理解。很多技術可以應用到生物醫療、工業生產和3D列印等領域。

在另一個維度上,由於引力波通過地球是瞬時性的,如何在短時間內調動全球的天文設備也是科學界的重要課題。隨著這次觀測的成功,天文級的全球傳感能力和協同工作系統將會進一步完善,這也是民用領域急需的技術。

對於人類而言,探索未來和享受現在總是相輔相成的。探索引力波,或許不是一件完全離我們很遙遠的事。

引力波本身對普通人有價值嗎?

在討論引力波時,很多人都會提到電磁波的例子。當人類意識到電磁波存在時,並沒有感覺它有什麼用,也無法看見未來微波爐、手機、航空、計算中必須要用到它,更不會知道電磁波變成了未來人類每天都無法離開的存在。

而引力波的發現,很可能將重複這個故事。

當然了,可以明確的是,引力波絕不是電磁波同一個等級的發現。因為引力波展示的是關於空間、時間和物質的真相。當人類真正應用它的時候,很難想像會發生什麼….

跨維度?時間旅行?宇宙通訊?隨意改變物質?誰知道呢,未來之所以魅惑,就在於它的未知永遠大於已知無數個量級。

引力波本身對普通人肯定是有價值的,這毫無疑問。親們要好好鍛鍊身體等到那一天哦。

里爾克的一首詩,非常適合放在這篇文章的結尾:

你是未來,是漫天朝霞

高懸在永恆的曠野。

你是時間之夜的雞鳴,

是朝露、晨禱和少女,

是異鄉男子、母親與死亡。

你是自身變化著的形體,

永在宿命中寂寞聳起,

沒有喝彩,沒有哀嘆,

沒被記寫如一片荒林。

你是萬物完美的化身,

隱瞞著他們的本質的終極話語,

你始終別樣地顯現出別樣:

對於船你是岸,對於岸你是船。


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