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诺奖得主雷纳·韦斯:中国应研制第三代引力波探测器

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科技传媒网 互联网转载 网易 2017-12-29 11:15

诺奖得主雷纳·韦斯:中国应研制第三代引力波探测器,引力波 雷纳 引力 黑洞

引力波发现者雷纳·韦斯:建议中国研制第三代探测器

文|张潇潇

2015年的9月14日,一个星期一的早上,雷纳?韦斯像往常一样查看了一遍LIGO列文斯顿的实验数据,忽然,他注意到一个前所未见的奇异波形,他立即查看了LIGO位于汉福德的另一台探测器的实验数据。当相似的奇异波形赫然摆在雷纳眼前时,他忍不住大叫,“啊,有人在捣乱!”

在经过了近五个月的研究后,激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)合作组于2016年2月11日宣布,这个奇异波形不是“有人在捣乱”,他们于2015年9月14日探测到的,正是爱因斯坦广义相对论中推导出的引力波。它来自13亿年前,一个质量为36太阳质量的黑洞与一个29太阳质量的黑洞的碰撞,然后并合为一个62太阳质量的黑洞,失去的3太阳质量转化为引力波的能量。

在爱因斯坦提出相对论正好一百年后,人类终于第一次听到了13亿年前来自宇宙深处的“鸟鸣”。

尽管雷纳很生动地描述了他发现引力波的瞬间,常人也依然很难感受到雷纳当时的心情,要知道,在一百年前爱因斯坦提出广义相对论之后,无数科学家都在想办法探测引力波,几代人皓首穷经做研究,没有突破。而在此之前的22年里,雷纳和数千名天文学家为之工作的LIGO项目,没有任何发现。

2015年12月26日,2017年1月4日,2017年8月14日,LIGO又先后三次探测到黑洞并合产生的引力波。

2017年8月17日,为第四次探测到引力波而兴奋不已的雷纳在一个星期内收获了更大的惊喜。LIGO探测到了约1.3亿年前双中子星碰撞产生的引力波!更幸运的是,这次的引力波恰好位于远在意大利的Virgo探测器的盲点区,这大大缩减了引力波源定位的范围。科学家很快将波源锁定在一个仅31平方度的天区。一时间,光学,红外,紫外,高能,射电,全球70多家天文望远镜都对准了长蛇座NGC4993星系。

前几次的引力波,都是黑洞合并产生的,并不能直接观测到,而LIGO第五次探测到的双中子星碰撞,迸发出了炽烈而耀眼的火光。

用天体物理学家张双南的话来说,“人类不但听到了天体结合发出的美妙歌声,而且也看到了它们相爱迸发的烟花!”

从此,在浩淼的宇宙面前,“人类终于耳聪目明了”。

这场用引力波和电磁波一起看到的宏大宇宙烟火,也意味着,人类从此迈进了多信使天文学时代。

自1985年起,半数以上荣获诺贝尔物理学奖的研究成果均来自20多年前。而今年的物理学奖,毫无悬念地火速颁给了两年前首次探测到引力波的科学家,LIGO的创始人、领导者雷纳·韦斯(Rainer Weiss),基普·索恩(Kip Thorne)以及巴里·巴里什(Barry Barish)。而对这次火速颁奖,学界普遍认为,是众望所归,而引力波,也毫无争议地登上了科学2017年十大发现的榜首。

引力波发现者雷纳·韦斯:建议中国研制第三代探测器

在瑞典接受了诺贝尔奖后,怀揣着崭新的奖章,三位科学家的第一站,来到了中国,在上海接受了复旦-中植科学奖后,雷纳·韦斯和基普·索恩来到北京师范大学,接受了网易科技等媒体的采访,并在未来论坛上进行了长达两小时的演讲。其中,雷纳?韦斯讲解了引力波的概念,探测器的设计和在引力波方面的最新发现,基普?索恩则详细描述了几代人探索引力波的过程,和引力波未来的种种可能。

引力波的概念抽象深奥,两位教授的演讲却并不艰涩难懂,让没有物理基础的观众也听得津津有味,并一起为人类历史上里程碑式的发现而激动。这大概是因为,两位教授在耄耋之年,仍保持着对科学无限好奇的童心。雷纳在之后的对谈中表示,他们特别喜欢给小孩上科普课,“只要你不用什么大词,给孩子们讲彩虹是怎么形成的,他们会特别特别激动。”而驱动人类数百年仰望星空,孜孜不倦探索,并最终与引力波相遇的,大概也正是这种孩童原初时就具有的好奇本能。

网易科技根据现场录音听译,整理了两位诺奖得主的演讲。分成两部分推送,后续还会推出基普?索恩的演讲内容以及网易科技与两位诺奖得主的对谈,敬请关注。

以下是雷纳韦斯的演讲全文,略经编辑:

谢谢,很高兴来到这里。我们会把演讲分为两部分,我想给大家讲一下引力波的概念,我们是如何探测引力波的,以及我们在引力波方面最新的发现。Kip 会给大家讲一下理论,并探讨一下引力波未来的种种可能。

首先想给大家讲一下爱因斯坦在引力方面的贡献,尤其是与牛顿理论的不同。

牛顿的万有引力大家可能在高中已经学过了。万有引力定律称,任何物体之间都有相互吸引力,这个力的大小与各个物体的质量成正比例,而与它们之间的距离的平方成反比。

这个定律在物理学历史上非常重要,后来被爱因斯坦的一个非常有趣也非常复杂的想法所代替。爱因斯坦让这个想法越来越接近我们现在所探索的部分。

牛顿理论中有哪些问题呢?在爱因斯坦看来,错在两点。第一,是在高速运动的大质量物体之间,万有引力是有问题的,在牛顿的理论中有一些小的误差,比如著名的水星进动问题。

另外一点是,在牛顿的万有引力定律中,引力的传播速度是没有被考虑进去的,牛顿认为,引力是立即作用的,没有时间差。而在1905年的狭义相对论中爱因斯坦提到,引力的传播速度是不能超过光速的。当然在这里我不给大家解释这个等式了,因为这不是我今天讲的主要内容。但是我们可以给大家大概讲解一下里面的内容,这张图能够帮助大家理解这样一个理论。

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在这里大家能够看到有这样一个网络,你可以把它想成一个小孩的攀爬架,每个格子都是正方形的。在中间,太阳出现的位置,正方形的格子发生了弯曲,网格中的一些直线会变成曲线,空间被扭曲了。在旁边是地球,地球所带来的空间扭曲比较小。如果在这些所有的线中放一个钟表的话,大家就能够发现以下现象:在远处,在未发生扭曲的正常方格的钟表记录的时间都是一样的,但是放置在扭曲空间的钟表就会走的更快一些。

所以,爱因斯坦的理论在两个方面代替了万有引力。

第一,引力不再是一种力,质量让引力产生了空间的扭曲,同时也带来了时间的扭曲。然后,爱因斯坦的理论表示,正是这种时空的扭曲,取代了所谓引力,导致了产生引力的物体的运动。时空告诉物质如何运动,而物质引导时空如何弯曲。这就是我希望大家理解爱因斯坦理论的方式,Kip可能会有更好的解释方式。

下面我想快速解释一下,在爱因斯坦的理论中,什么是引力波。引力波的来源是因为有加速运动的物体,而爱因斯坦的预测是,这些物体之间会有一种波以光速传播,也就是引力波。现在我们知道,物体间确实有这样的波,而且是传送波。

引力波发现者雷纳·韦斯:建议中国研制第三代探测器

在二维图片中我们能看到,有很多波和物体,这些波或者传向你,或者传向屏幕深处。这个图如果一直看你可能会有点头晕,但如果你站在图的中间,也就是红色的方框里面的话,你会发现,空间在一个维度被拉伸的同时,在另一个维度上你也能感觉到对应的压缩。

你还会观察到另外一件事情,这可能需要更多的分析才能讲明白,就是当你站在这里的时候,你会发现,离你最近的这两个点,它们的移动范围并不大,反倒离我们越远的点移动的范围就会越大。这个图告诉我们,引力波是怎么样来改变物体之间的距离的。物体运动的幅度与原本物体间距离成正比。尽管每个点都是分别存在的,但也会随着整个时空的扭曲而发生变化。换句话说,在任何一个方向上,物体位移的距离,除以物体间的距离,可以得到一个常数,我们称之为应变(strain)。我一会儿还会详细讲一下。

如果要以最简单的方式来检测是否有引力波,要怎么做呢?下面我用一个可视化的模型给大家展示一下,我们如何模拟引力波,LIGO就是这么做的,它先是模拟了引力波。

引力波发现者雷纳·韦斯:建议中国研制第三代探测器

引力波发现者雷纳·韦斯:建议中国研制第三代探测器

我在这边有一个动图。想象引力波从左下方往上传播的时候,我们在左手边有一个激光的发射器,这是激光,虽然长得不太像。在中间有一个分光器,也就是把光线做一个分割,这个激光照射到分光器上面就会产生一个分割,有一部分会分到左手边的镜子,有一部分会去到右上方的镜子,激光反射回来,然后汇合到探测器上进行测量。两边的光传播的时间是一样的。我们可以把镜子试想成一个点,也就是我们刚刚在正方形上的红点,代表了二维空间的相等距离。

在动图中,红色的部分就是激光,光里面曲线是光的电场,理想情况下,激光通过两边镜子的反射回来,因为有这个分光器阻挡,所以光无法进入探测器。那引力波是怎么做的呢?因为空间被扭曲,它把一侧镜子挪近,另一侧镜子挪远,结果就是,探测器探测到了激光。不管扭曲让这个路径变成什么样,镜子的距离都不再相等了。只要距离不再相等,探测器就能探测到激光。这就是引力波探测器的最原始的原理。

这个想法是很简单的,但是随后Kip跳了出来,说,嘿,事情没你想象得这么简单。因为,第一,有我们刚刚所说的应变。Kip Thorne做了非常多的工作,和他的同事们一起找到了非常多的证据。我们发现,应变至少要在10的负21次方之下,才能测量出引力波。这是一个非常非常小的数值。

假设你达到了如此高精度的测量水平,能测量出这个应变,试想测量一个四公里长的引力波,这也是最终建成的引力波探测器的长度,最后我们会得到这样的一个位移的数值——4×10的负18次方的长度,这意味着,你要测量一个东西,它经过了四公里只移动了一个核直径的千分之一的距离,比纳米还要小很多很多,非常有挑战性。这个挑战来自于两方面,一方面是,你要测量镜子的位置变化,这个变化细微到只有光波长的10的负12次方,另一方面,你还要确保镜子本身不会因为非引力波的原因产生晃动,这是测量中更困难的一部分。这也是为什么我们花了如此长的时间才探测成功。

关于第一个问题,我们花费了很多年,研究出了新的设备,有非常多人都对这样的一个设备做出了贡献。

引力波发现者雷纳·韦斯:建议中国研制第三代探测器

我们在这边可以看到这样一个探测器,我们的LIGO探测器也是基于这样的原理所制造和搭建出来的,我们在这边看到有激光,这边是分光镜,分光镜刚刚我们也展示过了,左手边有一面镜子,另外后面部分也有一面镜子,分光镜可以把光线分成两个部分,然后我们在两边的镜子和分光镜中间又各加了一面镜子,这样光不是只反射一次,而是不停反射,可以达到400到500次反射。

大家可能没有注意到,当探测器没有探测到光的时候,我们可以证明到这个光去到了两面镜子当中,它的路径就是沿原路返回,反射回来之后回到分光镜再回到激光的发射器。但是我几位同事想出的新的聪明办法是,如果在激光发射器和分光镜之间再加一个镜子,这些回来的这些光,它会再一次受到这个镜子的反射,再回去分光镜,这和激光发射器出来的激光又发生了一次干涉,起到了一个抵消的作用。我们的目的就是让激光发射器中所有的光都在这个空间里面不停地反射,反射500次,500次太多,大概200次,这大大增加了引力波探测器的敏感度。

这只解决了第一个问题,那另一个更难的问题是怎么解决的呢?我们在这边有两个镜子,把它们做成钟摆的形状,如果我飞快地小幅度摇动这个钟摆,底下吊着的镜子应该是保持不动的,而这两个美丽的镜子就是用来反射激光的。

引力波发现者雷纳·韦斯:建议中国研制第三代探测器

这个摆不是做一次,而是做四次。在下图中,我们可以看到一共是四个钟摆。使用这个钟摆装置,我们可以把镜子从地面的振动中隔离开来,而这只是我们解决方案的一部分。这个钟摆装置放在一个很复杂的大型装置中,左边是整个大型装置的组装图。

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这个完整的装置是什么呢?它能够测量我们地面的运动,同时,当测量到地面的运动的时候,这个装置重置一下平台,抵消掉来自地面的运动。就像我们坐飞机的时候,有的时候会戴降噪耳机,降噪耳机发出的声波,可以抵消掉飞机的噪声。这个装置也是同样的原理。

现在我们终于讲到了LIGO。LIGO是两个非常大的引力波探测器,一个在华盛顿,另一个在路易斯安那。还有其他探测器,有在意大利的Virgo,还有德国的GEO600,他们都是探测器,引力波探测器形成了一个网络。

大概一年半之前,在9月份的时候,LIGO观测到了一个波形,波的曲线一开始没有什么,然后突然变得非常陡峭,下图左右分别是在华盛顿和路易斯安那所观测到的波,两地之间相差8毫秒的光速距离,现在已经有很多证据表明,引力波是以光速传播的。

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上图第二行的图表是理论上引力波的波形。第一行理论上的波形和实际上的波形的对比,可以看到这个理论上的图绘制得很好,非常准确。最下面展示的是两个黑洞互相之间绕转产生的引力波。竖轴是频率,横轴是时间,我们可以看到它的频率在不断地变化,随着时间的推移。我们可以看到他们之间的间距是越来越短的,曲线的间距越来越短,同样,左右两边的图很相象。

这是两个30太阳质量左右的黑洞不断地彼此运动产生的引力波,可以看到两边应变的变化,这是我们最开始所观测到的。在产生引力波的同时,消耗了三个太阳质量的能量,这是非常巨大的能量消耗。我们认为这就是第一次观测到的引力波。之后,探测器日复一日的工作,我们又观测到了第二个引力波,这是两个相对较轻质量的天体,信号比第一个微弱些。然后又观测到了第三个,每一个是在不同的观测点。这个天空的图展示的是引力波方位的大体范围。因为只有两台探测器,我们只能画出一个香蕉形状的大体范围。这个香蕉形的区域大概有一千平方度。前两个引力波我们都无法判断它的具体方位,这是只有两台探测器导致的问题。

然后最近在今年8月份的时候,我们第三次探测到引力波,它不仅仅是在利文斯顿和汉福德被探测到的,在欧洲的Virgo也检测到了引力波,?Virgo的检测让我们缩小了引力波所在的范围。未来如果更多的探测器,我们就能够更多的得到关于引力波信息的来源。

在这之后,我们又发现了最让人激动的现象,当然之前探测到已经是非常令人激动的了,而这次观测简直让我欣喜若狂了。我们非常幸运,在同一个月中,就在我们打算关掉探测器之前,我们又观察到了另外一个现象,这次观测到不是黑洞了,而是在这儿,大家能够看到,这是关于时间,这是关于频率等等这些信息,所以我们把频谱进行了整合,我们能够看到把两个地点所观测到的频谱进行了整合,包括在华盛顿和路易斯安那。但是Virgo没有观测到,这点很重要,一会儿会说到为什么Virgo没有观测到。这次引力波持续的时间非常长,同时我们还观测到了伽玛射线。

考虑到Virgo没有观测到这一点,我们在Virgo和LIGO锁定的区域进一步缩小了范围,提高了观测精度。锁定了银河系中的NGC4493星系到位置。然后用光学望远镜等仪器辅助,帮助我们去确认了这样一个位置,看到了非常壮观的景象。

我们看到的是两个中子星相撞的景象。天文学家在之前的时候就研究过如果两个中子星进行碰撞的话会产生什么,他们预测,会产生不是超新星(Supernova),而是一个有这非常有特点的光芒的新星,叫千新星(kilonova)。它的光非常明亮,一开始是蓝色的,但是很快就会变成红色,然后变成红外。这张图上给大家显示的就是两个中子星进行碰撞,他们的碰撞可能会产生一个黑洞。然后会产生伽玛射线,通过望远镜可以观测到这一点。在之后,通过不同类型的天文设备,我们了解到更多中子星的信息。他们在碰撞和爆炸的时候产生了巨大的能量。

引力波的成功探测解决了两个问题。第一,引力波的发现对全世界来讲都是非常了不起的事件。因为我们检测到了引力波,所有的天文学家都开始参与到这方面的研究。之前大家不确定伽玛射线是否会从中子星的碰撞中产生,但是现在的观测确定了这一点。另外一点是,我们发现(kilonova)可能是有些重元素产生的地方。众所周知,绝大多数现存的这些元素,包括氦、氢、氮都是产生于最原初的宇宙大爆炸,有一些重元素,产生于超新星。但这中间的元素从哪里来的?目前有很大的空白。人们希望了解像金、箔、铀等等这些金属是来自于哪里?这个问题人类思考了很久,但没有得到一个非常令人满意的答案,但是现在大家可能有了一个好的答案,它们可能是从中子星的碰撞中产生的重元素。

这意味着,我们可以宣告,引力波天文学诞生了,我们进入到了多信使天文学的时代。这是人类历程上非常了不起的一个进步。我人生中第一次看到了天文学家对引力波这个词持有乐观态度。

但是现在我们还知道在日本有KAGRA这样的设备,还有LIGO印度这样的两个设备,这也是未来我们能够进行非常重要研究的一些设备。更多的探测设备可以让我们更精准地定位引力波的来源位置,更好地改善设备的灵敏度和性噪比。

引力波发现者雷纳·韦斯:建议中国研制第三代探测器

LIGO印度的加入对天文学家来说非常重要。可以看到上图中,前三个是美国的LIGO和欧洲的Virgo探测出引力波时,画出的蓝色“香蕉”,这是我们估计的引力波位置的大体范围。可以看到,当印度加入的时候,“香蕉”消失了,可以预测到的是,有了四台探测器后,我们对引力波位置的测量精度大大提升了。

未来引力波研究的发展还有另外一个方向,就是进一步的去改善检测设备的灵敏性,我知道中国也在进行这些研究了,而且和中国的一些朋友进行过讨论,当然发展一定是一个循序渐进的过程。

引力波发现者雷纳·韦斯:建议中国研制第三代探测器


上图的这些曲线,第一个曲线是关于频率,是在10的二次方和三次方赫兹之间,左侧我们能够看到的是关于应力的频谱密度。我们能够看到在这儿有Virgo探测的情况,有噪音在这儿,这是我们未来应该发现的地方,这也是我们一开始设计LIGO的初衷,就是绿色的这条线。这里是未来更加先进的Virgo的设计,可能在中部是比较相近的,所以在Virgo也是做了很多的贡献了。现在我们想的就是如何能够把设备做进一步的改善。

还有就是我们有一个另外的一个设备叫Voyager,在Voyager和爱因斯坦望远镜的概念之间,也是我想给大家的一点建议。如果有人问我中国应该在哪个方面参与并有一定的影响力,我觉得可以在这个地方,也就是研制第三代的监测器、探测器,我认为这可能是一个四公里的系统,这也比较接近我们现在的状态。欧洲的想法是在地下有一个三角形的检测的设计,它的灵敏度可能会好一点,而且这个我们能够看到现有的检测器的臂长也是将近长宽四公里。我希望未来这些领域的技术进步,能尽快应用到天文学领域,引力波的前景非常光明。

本文链接:http://www.itmsc.cn/archives/view-204915-1.html
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(责任编辑:夏喧)

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