科普2017年诺贝尔物理奖——引力波探测释疑

摘要: 引力波是爱因斯坦基于其引力场方程提出,激光也是基于爱因斯坦提出的受激辐射的量子理论。LIGO 探测引力波是站在巨人的肩膀上。

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去年我写了一篇《黑洞狂舞之声--引力波畅想曲》对引力波及其探测进行了简单的介绍。今天,诺贝尔委员会宣布该项成果获得了诺贝尔物理学奖。奖金虽然只发给三人,但诺贝尔委员会强调,这是对参与相关研究前仆后继的人们的共同认可。


最初提出使用激光相干方法进行引力波探测的是苏联科学家。但首先付诸实践进行相关实验的是MIT的物理学家 Rainer Weiss。他首先做了一个1米长度的干涉仪,虽然没有探测到引力波,但奠定了相关实验设置的基本构架,包括需要排除的噪音信号以及解决方案等等。


WEISS的分析表明,要成功探测引力波需要一个数公里长度的干涉仪。因为WEISS的开创性工作,他这次得到了诺贝尔奖金的一半。另外两位物理学家在引力波探测的大规模实验中居功至伟,各得1/4。


根据爱因斯坦的广义相对论,引力实际是时空几何的弯曲。广义相对论的方程表明,这种弯曲随时间的变化可以用波的形式传播,称为引力波。引力波所到之处,会导致时空本身的伸缩。


引力波是一种横波,也就是说它的振动方向与传播方向垂直。如果引力波从屏幕里向外射出来,那么它会导致屏幕长度与宽度方向空间的伸缩,一边是拉长,一边是压缩。如果有两道垂直方向的激光分别射向两面镜子,在引力波作用下,两个方向上距离出现拉伸与压缩的差异,两道激光路线返回需要的时间不同,通过激光返回的这个时间差异就可能测出两个方向距离变化的差异,也就可能测出引力波了。


LIGO (激光相干引力波观测台)的工作原理就是利用这个拉长与压缩的差异,进行引力探测。它(以及其他干涉探测)之所以灵敏,在于它是一种零与非零的实验。在没有引力波的时候,两条光路的光波相位相反、互相抵消,探测器没有信号;当两者有细微的差别,就会出现非零的信号。


在LIGO里,两道激光实际往返百次,这就相当于把两个回路的距离增长到上千公里。为什么要这么大的探测器呢?


因为引力波非常微弱。计算表明,两个30倍太阳质量的黑洞相绕狂舞,两者距离300公里,一秒钟转 100 圈,庞大的质量、速度达到光速一半,产生的引力波在黑洞附近固然强大,但传到10亿光年外的地球,强度只有约 10万亿亿分之一。换言之,这个引力波只能产生10万亿亿分之一的空间伸缩。即使把这个及其微小比例乘上 1000 公里,所产生的距离变化也是微乎其微。


值得注意的是,空间拉伸的并不意味着物体的拉伸。如果引力波垂直于屏幕对着你传出,计算机屏幕的长宽并不会变化。这是因为屏幕是一个通过分子间的作用紧密结合在一起的整体,分子间的距离取决于电磁作用,微弱引力完全可以忽略。打个比方,如果在一块橡皮上放两个钉子,当你慢慢拉伸橡皮,钉子会跟着橡皮而动,两者距离会变大,但钉子本身的大小不会变。


因此,微弱的引力波来临时,地球大小不会变,LIGO的那两条光路的真空管道长度也不会变。媒体上画的地球在浑身颤抖是一个误解。LIGO的两条光路距离之所以在变化,是因为其悬挂的镜子是可以在水平方向自由运动的。


我在《引力波探测的滤震(2)》分析了两级单摆的滤振,但这个悬挂装置还有一个用途,就是使镜子在水平方向(也就是探测平面)处于自由状态,可以跟着空间的伸缩而动。这样,光的两条道路的距离也就随之而变了。


在网上还经常看到一个疑问。既然引力波导致空间的伸缩,那么运行中的光波的波长也会跟着伸缩。引力波来时,光路距离虽然增大,但光波长也等比例增大,为什么会有相位的变化呢?


产生这个疑问的人可能联想到了光波随着宇宙膨胀而拉长的现象。宇宙大爆炸,混沌初开时的可见光随着空间的膨胀被拉长成了微波,以背景辐射的形式被探测到,这几乎已经成为常识。


宇宙的膨胀是持续的空间拉伸,已经在空间传播的光波就被持续拉伸,但现在新发出的一道可见光的波长不会是微波的波长。LIGO探测的引力波周期相当长,约为100分之一秒的量级。当引力波来临时,空间发生伸缩,可以想象成一个伸缩的定格。新发出的激光的波长等于光速除以频率,光速不变,光的频率取决于原子物理,也不变,因此光的波长也不会变。


引力波是爱因斯坦基于其引力场方程提出,激光也是基于爱因斯坦提出的受激辐射的量子理论。LIGO 探测引力波是站在巨人的肩膀上。面对这样的难题,西方科学界数代人投入大量资源,经过近一百年的努力,才取得这样基本的成果,光凭功利思维是不可能的。


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