图片 1爱因斯坦的相对论,你了解多少?

我很羡慕唐立梅老师,他们能够去南极那么远、那么好的地方,像我们这种搞理论的,只能窝在家里面靠猜,在座的哪位小朋友特别宅的,将来推荐向我们这方向发展。

引力波是一个什么东西?它是我们所在的时空——时间和空间本身的波动,本身形状的变化,是在爱因斯坦的广义相对论下面才有意义的一个东西,它是验证广义相对论最后一块拼图。

首先就是引力波,问一个问题,有多少人已经听说过这件事了:关于2015年已经成功探测到引力波、2017年拿到诺贝尔奖?其中有多少人已经读过无数关于引力波的科普,已经都受不了了?那你是不是已经明白引力波背后的物理机制,觉得再听也是浪费时间?没举手,OK,行,那我今天还能讲。我今天试试做一个实验,看看能不能用图片讲一点背后的物理的机制。

我是北京师范大学天文系的张帆,我们那里有一个叫做引力波宇宙学实验室,我是其中的成员。今天我过来给大家讲一讲关于引力波的事情。

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本文为2018年8月12日“我是科学家”第二期线下活动——向未知出发| 张帆 演讲实录:

金属球和羽毛的落体实验和引力波有什么关系?意大利面又和引力磁又有什么关系?引力波不仅是2015年的大新闻,更是一代又一代物理学家大胆猜测、严谨验证的成果。虽然我们无法亲身前往神秘的宇宙深处,但科学家们却抓住了那远方的信使,让我们有机会探究宇宙未知的奥秘。北京师范大学天文系副教授张帆,将用小实验和风趣幽默的比喻为大家介绍了引力波的相关知识。

引力波

我们知道广义相对论了,那广义相对论跟引力波有什么关系?

在广义相对论下面,时空有一个几何形状,那个几何形状取决于物质的分布。地球弯曲了地球周围的空间,所以地球周围的东西才会往下掉;如果地球本身的状态发生变化了,比如它本来一直停止的,突然就这么跑了(但是事实上不行了,不然我们全都从地球上掉下去了),那这个地球状态改变的信息是什么传播出去的?就是通过波传播出去的,引力波。

图片 3电磁场动图

上图这个是电磁,这是一个电荷红点,当它停在中间,在远处的电磁场现在都指向它;如果它动起来了以后,远处的电场线必须跟着指向它,那远处这些电场线怎么知道我需要改变我的运动状态了呢?就是通过电磁波,是电磁波把这个信息传递出去的。

同样的原理,引力波也是一样。当源头处,比如说两个黑洞在这里互相绕转,开始是两个洞,后来变成了一个洞。这些关于这个黑洞状态的变化的信息,是怎么传递给远处,让远处知道这些变化?就是通过这些引力波?

所以引力波是广义相对论里面特别重要特别基础,必须存在的一个东西。

如何研究引力波?

我们知道它重要,我们怎么来研究它?还是从电磁学里面找思路。

电磁学里面有个特别重要的东西,就是电场线、磁场线。我把磁场线画出来了以后,就知道如果放一个磁铁在那个磁场线的地方,它会沿着磁场线的方向指向;如果是电场线的话,我放一个电荷,它会沿着那个方向加速,对吧?你可以通过画这些线来研究这个电磁波的发射是什么样的。

图片 4电磁波示意图。

左边这个是电磁波,这一圈一圈走掉的是电场线。下面这张图就可以更清楚地看到电磁波是怎么产生的,向右边那张图右上角。如果有两个电荷,你中间会有个电场线连接它们,电场线因为必须要脚踏着电荷。但是如果这两个电荷逐渐互相接近,最后中和掉了,你没有电荷了,你的电场线就没有地方落脚了,它自己就只能闭合成一个圈,没有根基的,什么就就跑掉了。跑掉的这个东西就是电磁波,左边的这个就是电场线,从一个电偶极子发射出来的电磁波。

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在引力场里面也可以画线。

图片 6左边是引力电,右边的是引力磁。

上图左边是引力电,右边的是引力磁,它和电磁没有直接的关系,只是一个类比。中间红的这个东西是一个黑洞,在黑洞附近,时空的每一点,例如那个箭头指的地方,有三条叫做引力电的线。

根据它的特性不同,你可以把它画弄成蓝色或者是红色。蓝色和红色是什么意思呢?你如果有一个人把自己沿着红色的方向站着,你会被拉长,沿着蓝色的方向你会被压扁。你们都听说过,如果一个宇航员掉到黑洞里,他会被拉成面条,就挂了,那是沿着红的那个方向进去的时候;你如果是横着(沿着蓝色方向)进去的话,你实际上是被压扁了的。

这在科幻片里面被提到得到如此多,以至于已经有一个词来描述:spaghettification。Spaghetti就是意大利面的细面条,一般是配番茄酱,当然你加这老干妈其实更好吃,但是意大利人吃不了辣的,所以他会扁你。

还有一件事情就是这个fusilli,就是拧成麻花的这个意大利面。它生的和煮过头的只有一秒之差(你要错过了那一秒把它煮过头了,意大利人就扁你)。那我为什么要把这个东西放在这呢?在一个旋转的黑洞周围,也有这些引力磁的线。你如果把一个人沿着红线放进去,周围的时空会拧你,沿着这个方向拧你,把你头和脚反方向拧。你如果是蓝色的线,它就逆过来拧。

所以掉到黑洞的时候,人的死法是很多种多样的,这个取决于你瑜伽的水平——你有可能是被拧死的,也有可能是被抻死的。你别看我这么胖,我其实瑜伽很好,我多半是被抻死。

图片 7两个黑洞碰撞了之后,形成一个单一的黑洞。

左边这边是两个黑洞碰撞了之后,形成一个单一的黑洞。那个黑洞在那晃,就会产生引力波,发射出来这个像甜甜圈一样东西,就是引力磁的场线。它和下图这个电磁场形成类比。

图片 8电磁场示意图。

原因是什么?要搞明白这个,所以我们必须得要先学习广义相对论。

广义相对论小课堂

下面五分钟的时间我要讲一讲广义相对论。

首先给大家先看一个视频。

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这是个宇航员,能看得出来他在月亮上是吧?他背后是一个登月舱。他在干什么你们能看得见吗?看不见正好,我再来做一次这个实验。

图片 10张帆现场演示实验。

我现在把这两个球放在同样的高度,它们一个沉一个轻,我让它们同时开始下落,最后认为这个重的先落地的举手,没有人;那我现在换一个羽毛,大家认为同时落下的举手,也没有人。大家生活经验都好丰富。那为什么羽毛没有同时落下?因为羽毛有空气阻力。

如果我们到月球上,到没有空气的地方,是不是羽毛和球就应该同时落下了?这个宇航员他右手拿的是一个锤子,左手拿的是一个羽毛,放下的时候,真的是同时落下的。

图片 11张帆现场演示实验。

爱因斯坦在看到比这个在萨斜塔做的实验的时候,想的是它们俩个同时下落意味着什么?意味着这两个东西不论它的质地是怎么样,内部结构是怎么样,它带不带电荷,有任何结构上的区别,引力对它们的作用是完全一样的——同样的加速度,同样落到地上,同样时间落到地上,这一点和其他的力是完全不一样的。

爱因斯坦最喜欢做的就是思维实验,因为他穷。大家要知道在早期,人们认为实验物理学是光荣的,是贵族才能干的事情,而理论物理学是穷人在家里YY做的事情。所以最开始的理论物理学家是受歧视的。爱因斯坦做的思维实验是怎么样呢?想象你在一个封闭的空间里面,比如一个电梯间,同时让这两个球下落的时候,它们两个同时砸到地面了。

一种可能性是这个电梯间是放在地球上的,这两个球是由于引力的作用加速下降同时落地;另一种情况是电梯间实际上是在宇宙里面,同时有一个宇宙飞船拽着这个电梯间加速向上走,那这两个球也会同步的向下走,同时落在地面上。

所以你没有办法区分引力的效果,和一个参照物在加速运动的效果,这个参照物就是你的周围的这个电梯间的墙。
爱因斯坦把它拔高到一个更加抽象的角度,说“我把所有其他的力都带进来,把所有可能的实验都囊括进来,我仍然没有办法区分引力和一个加速运动的参照系之间的区别”。这就有一个特别重要的后果了,物理是一门实验科学,在任何实验当中都没办法区分这两个的话,它们就是一样的。所以爱因斯坦当时就得出了一个结论:引力不是力,但是引力体现了的是时空本身的几何结构的弯曲,它是一个弯曲的一个时空。所以换句话说,爱因斯坦的广义相对论把引力几何化了。

在广义相对论之下将引力几何化了之后,会有非常有意思的现象,比如说光也会受到影响,它也没办法走直线了。在牛顿的引力下面,光如果没有质量的话是不受引力的,但在广义相对论之下,你就有了这种奇特的叫做引力透镜的现象。

图片 12黑洞相互旋转产生引力波

比如说上面这张图,中间实际上是两个黑洞在互相环绕,这两个黑洞互相环绕的时候扭曲了周围的时空,所以从那些时空里面过来的光,也就是背景的星光,它走的是一个弯曲的路径,就好像这个光在一个透镜里面的效果是一样的,所以你看到所有的东西都已经扭曲了。

这张图不是艺术家的想象,当然也不是实景拍摄——实景拍摄的话摄影师早挂了。它是大型计算机通过理论数值模拟计算出来的。我们发明那么多超级计算机,比如太湖之光,干嘛用的?可以干这个用。计算出来这些时空之后,就可以看那些光究竟在里面怎么走。

在有了这个能力之后,人总是要干一些无聊的事情。比如下面这张图。

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想象你自己站在月球上看地球,在地球和月球之间有一个超光速飞船通过,上面这张图是你看到的情景,其中红点表示超光速飞船。

但是它是有问题的——你是没有办法穿过去虫洞,除非有反引力的特别物质在这撑着(让它不会闭合)。我们现在不知道这种物质有没有存在,十有八九不存在。这个也是一样,你需要反引力的物质才能够把这个超光速飞船造出来。所以我才说是无聊的事情,但是好玩。

如何探测引力波?

那怎么来探测引力波?

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引力波到远处了之后,就形成了那样子一个局面,这是它的波前,也就是一个波发出来到远处最前面那个闪的那个部分。在那个上面,每一点有三条线(它垂直方向没有任何的影响,所以就没有画),在沿着面的平行的方向,有蓝线和红线。还记得蓝线和红线作为引力电一个抻一个压,所以如果有两个尺子是垂直摆放着,当引力波过来的时候,它会压其中一个方向,而抻另一个方向;因为波是会变化的,过一会蓝的和红的都反过来了,它就压这个,抻那个。

所以探测引力波最简单的办法,就是用激光干涉仪,测的就是两个臂之间的臂长的差别。美国人造了,在Louisiana(路易斯安那州),就是吃海鲜乱炖的那个州,它有4公里长,是非常震撼的。当地民风淳朴,就是他看到这么震撼的东西,他第一反应是我要拿枪打它,当时也造成了巨大的困扰。

除了美国这两个以外,其它地方欧洲也有一个,然后日本有一个叫做KAGRA,这个是我非常喜欢的,它在一个山的下面,神冈山下面,就是测中微子那个地方。我为什么那么喜欢它?就是因为它的名字叫KAGRA,一看就是日本人起的。为什么?因为“Godzilla(哥斯拉)从东京湾登陆,KAGRA从西岸登陆夹击日本”,一听就是日本的。

我今天就讲到这。

图片 15张帆演讲现场。

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