未完成的交响曲 —— 关于引力波的几个疑问

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美国华盛顿州汉福德市的激光干涉引力波天文台的资料照片(新华社发)

 

美国科学家1月11日宣布探测到的引力波,曾被科普作家马西娅·巴图西亚克比作爱因斯坦“未完成的交响曲”,正因其蕴含太多未知。

引力波是一种声音吗?能不能实现科幻作品里的应用?“带走”3个太阳质量的引力波来了,要不要害怕?那么费劲探测爱因斯坦一百年前预言的引力波,到底为什么?这项研究与中国的引力波探测工程“天琴计划”有何异同?

 

“天琴”别样天籁之音

参与此次引力波研究的美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的数据分析专家、加州理工学院物理系教授艾伦·魏因施泰对新华社记者说,他对中国中山大学牵头、利用人造卫星探测空间引力波的“天琴计划”充满期待。他说:“探测到引力波只是刚刚开始,并非结束,我们非常需要中国科学家的努力。”

LIGO科学合作组织的研究成员、加州理工学院物理学教授陈雁北说,他希望“天琴计划”实现3个愿景。第一,测量引力波可借助不同的“窗口”。如果中国的空间引力波项目观测到大质量或超大质量的黑洞并合,将对人类理解宇宙演化起到非常重要的作用。

其次,“天琴计划”可与LIGO天文台进行联合观测。比如,信号首先进入“天琴”的观测范围,随后抵达LIGO天文台,再次被观测,将使科学家对同一波源掌握更多信息。此外,将“天琴计划”作为发展空间技术的平台,促成不同领域科学家的合作,无疑对中方计划具有重要意义。

“拿什么奖并没那么重要,更重要的是不同领域的科学家围绕引力波,协同观测和研究新的现象,”陈雁北说。

 

引力波是一种声音或乐器?  

“时空涟漪”、“宇宙呢喃”……引力波被赋予了太多诗意。科学家认为,探测微弱的引力波,如同在一个喧闹的聚会上辨别一首歌。人类探测到引力波,正如一个失聪的人突然获得听觉,从此获得感知世界的全新方式。

但是,引力波是一种“声音”吗?

宇宙以光的形式向人类传递了太多信息,如今引力波在时空中向我们传递着类似声音般的新信息。魏因施泰教授对新华社记者说:“这正如在时间和空间中演奏的乐曲,是由黑洞用力拨动的吉他琴弦。这只是交响乐的开始,而非结束。”

“我们愿意把它称为一种声音,但引力波并不是声音,”魏因施泰解释说,声音以音速在空气中传播,而引力波则是以光速传播,可以在真空中传播。两者都是一种震动,但引力波是一种全新的震动方式。LIGO天文台将探测器连接到扩音器,从而“听到”引力波的声音。

陈雁北则指出,引力波也是一种机械振动,如同用非常大的能量,在宇宙中敲响了一面蒙皮紧绷的鼓。从这个角度来说,中国“天琴计划”这个名字“太棒了,比喻得非常恰当”。

 

当引力波向你袭来会怎样?

美国科学家宣布,他们利用LIGO探测器于2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。据研究人员估计,这两个黑洞合并前的质量分别相当于36个和29个太阳质量,合并后的总质量是62个太阳质量,其中3个太阳质量的能量以引力波的形式在不到1秒的时间内释放,释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约50倍。

听上去这么牛,那么引力波向你“袭来”会怎样?

陈雁北教授说,引力波携带的能量很大,但实际对物质产生的作用却十分微弱,这也是探测它很困难的原因。如果把引力波在地面附近的能量流单位时间和面积算一算,就会发现它不能挪动电荷,所以作用很微弱。

“如果把时空类比为弹簧,那么一定是一个很硬很硬的弹簧,用很大的能量才能压动一点点,”陈雁北说。

如果某人站在引力波波源附近,而引力波向此人正面袭来,从理论上说人会变得矮胖,再抻长,再变矮胖……如此反复,但实际上在地面是很难探测到引力波的。

 

引力波能让科幻成真吗?

能否借助引力波实现星际航行、时空穿越或者星际通信呢?

陈雁北教授说,引力波非常微弱,因此很难发射可以被接收和探测的引力波。从理论上讲,有可能向一个正在合并的双黑洞发射一个叠加的引力波,可望产生一种引力波放大效果,但实际上不太可能实现。此外,由于引力波本身造成的时空弯曲是很小的,所以借助引力波“穿越时空、回到过往”并不现实。

加州理工学院物理系教授魏因施泰说,引力波离应用阶段还很远。现在谈“借助引力波时空旅行”之类的科幻设想还为时太早,利用引力波的宇宙通信也只是一种微弱的可能。

魏因施泰认为,探测到引力波后,应将其写入物理课本,“孩子们应该知道这件事,睁大眼睛看天空。也许这离日常生活还很遥远,但我们需要好奇”。下一步,他认为应去证明更多引力波的存在,而非只是探测到引力波信号,这将帮助人们了解宇宙中大质量天体、中子星、黑洞的数量和演化,帮助人类了解宇宙中更多新领域和新现象。

“对于科学家来说,我们需要把眼睛睁得更大,引力波将让我们看到更多未曾想象的世界,”魏因施泰说。

 

 

(本文转自中国科学技术协会网——“科普中国”栏目,相关专题详见以下网址: 

http://news.yesky.com/yinlibo/



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