时空的涟漪:从爱因斯坦到LIGO,甚至超越


“在黑暗中寻找一个人能感觉到却无法表达的真理的岁月,强烈的渴望以及信心和疑虑的交替,直到一个人突破了清晰性和理解力,这才是他自己经历过的人所知道的。” –艾尔伯特爱因斯坦

对于科学家而言,很难想象比第一个发现新事物更令人兴奋的事情。 一种新的行为; 新的自然法则; 一种新的能源; 一种看待宇宙的新方法。 当爱因斯坦提出他的广义相对论时,事实证明是所有这些以及更多。 经过100多年,它可以说是我们有史以来最成功的物理理论,它已经通过无数种方式进行了测试和验证,并且一直有新的研究途径开辟。 引力波在不到两年前首次被发现,是打开宇宙的最新新窗口。 在多本新书《 时空的涟漪:爱因斯坦,引力波和天文学的未来》中 ,多产的科学作家Govert Schilling取得了令人着迷的历史和科学准确性三重奏,充满了惊奇和好奇心,并且讲故事的手法非常好。

可视化宇宙局部引力场的规模最大,甚至比星系和星团还要大,这是我们可以对宇宙产生的巨大宇宙观之一。

我们对宇宙的现代描绘是复杂而复杂的,并且在过去的一个世纪中有了巨大的发展。 在本书开始时,Govert通过挑战我们以不同的方式想象宇宙来描绘这幅画。 我们以小规模进入原子内部; 我们从更大的角度观察恒星,星系和巨大的宇宙网; 我们以接近光速的速度旅行; 我们探索高温和高能量。 在向我们介绍宇宙时,最引人注目的方面是有必要使多少故事不为所知。 刚从这本书开始的人会发现还有其他值得探索的途径,因为您几乎可以看到人们可以沿着好奇心走过的未曾经历的道路。

此图像说明了由于质量空间扭曲而产生的引力透镜效应。 这是爱因斯坦理论与牛顿理论大不相同的一种预测。 图片来源:NASA,ESA和Johan Richard(美国Caltech); 致谢:Davide de Martin和James Long(ESA / Hubble)。

广义相对论并不总是我们的引力论。 它必须推翻牛顿的万有引力定律。 时空的涟漪通过关联弯曲的时空如何做出牛顿引力没有的明确预测来概述历史和科学上的这种情况。 这不仅限于星光的弯曲,还包括空间本身可以被扭曲,扭曲,变形和延迟的所有方式。 讨论了日食和水星的进动,但雄辩地解释了大地效应和框架拖曳。 还有一个有趣的事实,就是爱因斯坦本人是否真的存在引力波,或者引力波是否仅是数学产物而被撕裂。 这强烈提醒我们,无论某人有多么聪明,他们都永远做不到正确的事情。

当两个中子星互相绕轨道运行时,爱因斯坦的广义相对论就预测了轨道的衰变以及引力辐射的发射。 对这种效果的观察(黑点)与理论预测(红线)非常吻合。 图片来源:NASA(L),马克斯·普朗克射电天文研究所/ Michael Kramer。

时空的涟漪远远超出了您过去几年听到的引力波的故事。 还讨论了坍缩的天体物理物体,例如白矮星和中子星。 二元系统中脉冲星的轨道衰变被证明是对重力辐射的首次间接验证,并进行了详尽的讨论。 还讨论了(失败的)直接和间接检测引力波的尝试,例如使用大型“条形”检测器或通过在宇宙微波背景中寻找特定的极化特征进行的尝试。 约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)和他的先驱(但最终是有缺陷的)工作以及引人注目的但有缺陷的BICEP2成果不是作为失败而是作为学习经验来说明,其经验教训在今天仍然具有科学价值。

像LIGO或LISA这样的系统,其核心只是一束激光器,它通过分束器发射,沿着两条相同的垂直路径发送,然后重新组合以产生干涉图样。 随着手臂长度的变化,图案也会变化。 图片来源:LIGO合作。

最后,现代引力波天文台(如LIGO)的概念和执行方式也引人入胜。 介绍了干涉测量法,并提出了一个现实的,理论上可检测的系统和振幅的想法。 讨论了开发的早期阶段,其中包括一长串您可能从未听说过的人员和参与者。 所有这些都有助于实现LIGO。

两个合并的产生引力波的黑洞的计算机模拟。 图片提供:Werner Benger,抄送4.0版。

怀疑LIGO检测的任何人都将对此特别感兴趣。 LIGO对他们确定设计敏感性的确定程度如何? 他们怎么知道他们所看到的是否是盲注? 他们对自己声称自己发现的东西有多自信? 这些问题的答案非常清楚,在引力波观测器的历史及其发展过程中提供了许多示例。 阅读故事后,您所有的疑虑都应消除。

引力波起伏的形状与膨胀是无可争辩的,但频谱的大小完全取决于模型。 BICEP2对最大振幅的可能性很敏感,但是如果较弱的可能性描述了我们的物理宇宙,那么将来的观察和实验可能会揭示出一个信号。 图片来源:普朗克科学团队。

阅读《 时空涟漪》时,您会注意到的最杰出的事情之一就是故事的独特性。 这本书本身经过了深入的研究,并且作者采用了老式的方法:首先去拜访有助于创造历史的科学家和历史人物。 所展示的科学基础扎实; 甚至没有著名科学家的观点与实际科学事实的混淆。 尽管呈现了丰富的历史,但重点始终是科学研究和发现的故事。 (或者有时是未发现的,这可能同样有趣!)

约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)的早期重力波探测器被称为韦伯杆。 韦伯的错误发现是一个更大的故事的一部分,该故事最终导致了真正的引力波发现。 图片来源:马里兰大学图书馆的特殊藏书和大学档案。

可以肯定地发现了一些小问题。 该书暗示明科夫斯基在爱因斯坦发展狭义相对论之前就发明了时空的概念。 相反是正确的。 很多空间用于失败的实验,其中两章完整介绍了BICEP2的结果。 也有许多奇怪的遗漏。 对于约瑟夫·韦伯介绍的所有细节,省略了他作为微波专家如何去乔治·格莫夫(George Gamow)询问“大爆炸之父”是否可以利用他的专业知识提供帮助的故事? 尽管Gamow回答“否”,但事实是,设计一种检测宇宙微波背景的方法非常合适!

哈佛大学杰佛逊大厦低端的物理学家格伦·雷布卡(Glen Rebka)在著名的庞德·雷布卡(Pound-Rebka)实验建立期间通过电话给庞德教授打电话。 图片来源:Corbis Media /哈佛大学。

庞德-雷布卡(Pound-Rebka)实验概念非常简单,被嘲笑为过于复杂,以至于无法为本书描述,这也令人感到震惊。 然而,所有实验所做的都是在低海拔引起核发射,并注意到相应的核吸收并未在较高海拔发生,这可能是由于爱因斯坦所预测的引力红移。 但是,如果通过将低海拔发射器附着到扬声器锥体上来使其速度得到正向提升,那么多余的能量将平衡提取的重力场中向上传播的能量损失。 结果,到达的光子具有正确的能量,并且发生吸收。 令人费解的是,虽然详细讨论了重力探测器B之类的复杂事物,但是一项可能在一两段中得到很好解释的简单实验却被掩盖为太难了!

艺术家对这三个LISA航天器的印象表明,较长时间的引力波源在空间中产生的涟漪应为宇宙提供一个有趣的新窗口。 LISA几年前被美国国家航空航天局(NASA)报废,现在将由欧洲航天局(NASA)建造,只有部分资金来自美国航天局。 图片来源:EADS Astrium。

话虽如此,《 时空的涟漪》仍然是一部引人入胜且易于阅读的作品。 既轻松又深入:完美的结合。 当您探索证实了重力波的存在和性质的发现时,您会在今天走到最后,清楚地将未来的可能性摆在您的脚下。 脉冲星计时阵列正在开启探索干涉仪无法测量的长波引力波的能力,并且实际上可能会看到BICEP2正在寻找的波的类型。 地面上未来的观测站将补充LIGO阵列,并且已经在建设中并投入使用。 LISA正在路上,它将在太空中打开引力波,以及超大质量黑洞的涟漪。 将来,借助我们计划的技术,将实现将光学天文学和其他基于光的天文学与引力波天文学相关联的圣杯。

不仅观察到两个黑洞合并形成一个更大的黑洞,而且还会继续观察多次。 尽管如此,未来仍存在着引力波的可能性,而这远不止于此。 图片来源:LIGO。

总而言之,《 时空的涟漪》是一部极富教育意义的读物。 它属于任何对学习21世纪最令人难以置信的科学进步背后的科学,历史和个人故事感兴趣的人的书架。 随着科学的不断进步,这本书将提醒我们已经走了多远,到达那里的方式以及我们最抱负的抱负所期待的一切。


现在,《福布斯》(Forbes) 刊登了《爆炸从头 开始 ,并在 Patreon支持者的支持下 ,在《 Medium 》上 重新发布 伊桑(Ethan)撰写了两本书,《 超越银河 》和《 Treknology:从Tricorders到Warp Drive的《星际迷航》