引力波有什么实际意义引力波对人类的意义引力波是什么东西?对人类有什么影响?

 2021-08-09 08:15:23  阅读 0

摘要:听!这就是引力波的声音,穿越13亿年在这一秒与人类邂逅我叫曹军威,来自清华大学。我是国际激光干涉引力波天文台(LIGO合作组织)的中国负责人。我2004年加入美国麻省理工学院激光干涉引力波天文台的实验室,2006年回国,在清华大学创建了LIGO工作组,2009年我们加入LIGO。我们加入这个组织工作了6年之后,在2016年2月11号,国际LIGO合作组织宣布直接探测到“引力波”。今天我们想跟大家主要介绍三个方面的问题。什么是“引力波”?

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听!这就是引力波的声音,穿越13亿年在这一秒与人类邂逅我叫曹军威,来自清华大学。我是国际激光干涉引力波天文台(LIGO合作组织)的中国负责人。

引力波有什么实际意义引力波对人类的意义引力波是什么东西?对人类有什么影响?

我2004年加入美国麻省理工学院激光干涉引力波天文台的实验室,2006年回国,在清华大学创建了LIGO工作组,2009年我们加入LIGO。

引力波有什么实际意义引力波对人类的意义引力波是什么东西?对人类有什么影响?

我们加入这个组织工作了6年之后,在2016年2月11号,国际LIGO合作组织宣布直接探测到“引力波”。

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今天我们想跟大家主要介绍三个方面的问题。

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什么是“引力波”?

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我们怎么探测“引力波”,为什么很难探测?

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为什么我们认为探测到的是“引力波”而不是其他?

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从科学工作者的角度,我会给大家一个非常详尽的介绍。什么是“引力波”?“引力波”从哪来?到底科学家直接看到了什么?我们直接看到的是这样的一个波形。

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这两个波形在距离3000公里的美国两个激光干涉引力波天文台被同时监测到。

引力波有什么实际意义引力波对人类的意义引力波是什么东西?对人类有什么影响?

距离3000公里,光从一个天文台走到另外一个天文台的速度是10毫秒。实际上这两个波形它们之间相差了6.9毫秒。

当我们把一个模型平移了6.9毫秒以后,把两个曲线重合起来,大家可以看到关键的部分有非常高的重合度。

这个就是我们观测到的引力波的信号。

讲“引力波”的时候,我们会说听到了宇宙的声音。很多年前我们有了望远镜,我们说这叫看到了宇宙。

当引力波信号输入到音频以后,我们能听到什么?

最后一下,我们能听到“Biu”的一声,在频率上它已经非常非常突出了。所以我们说听到了“引力波”的声音。

“引力波”从哪里来?

双黑洞。

大家可能都听说过黑洞,它的质量很大,连光都逃逸不了。只有大质量的物体在剧烈的天体运行中,我们才有可能探测到“引力波”。

这对双黑洞的并合经过了三个过程,第一个过程是旋进,过程中放出“引力波”。放出的能量使得它们旋进的速度越来越快,它们的距离也越来越近,当它们近到一定程度以后,两个黑洞就会碰撞到一起。

第二个过程是碰撞,实际上就是一个“引力波”发射的过程。

第三个过程是衰减,它们形成了一个新的黑洞。这就是我们观测到的“引力波”的一个波源,我们称为“双黑洞合并”。

这个过程释放了“引力波”的意思是:有超大质量的物质,通过运动对引力场做了搅动,引力场中间的波动我们称为“引力波”。

双黑洞合并释放“引力波”这个过程,不仅仅是两个黑洞在旋绕,还包括了它周围引力场的变化。它们合并以后,会释放大量的“引力波”,我们称为“引力场中的波动”,这种波动携带了巨大的能量。

什么是“引力波”?这要回到1915年爱因斯坦的广义相对论。

广义相对论想在几分钟之内跟大家讲清楚,是一件不太可能的事情。不过可以给大家说一个最基本的概念:物质和时空是互联的。

无论是这么大的天体还是一个人,都是一个物质的存在。而物质存在的同时,周围是有时空把物质联系在一起的。

最直观的解释就是太阳和地球之间的关系。

为什么地球会绕着太阳转?牛顿的解释是因为万有引力。引力是一个超距作用,引力和质量成正比,和距离成反比。

爱因斯坦则从另一个角度来解释。他不相信引力的传播会是超距作用。他认为如果有一天太阳突然消失了,地球会怎么样?地球可能就会飞出去。

地球怎么会知道太阳消失了呢?它为什么会飞出去?爱因斯坦就解释,太阳如果消失了,它的引力场就会变化,这件事通过引力场的变化传递给了地球,地球知道太阳消失了,于是它就飞出去了。

这个关系叫物质引导时空弯曲。

我们刚才讲了,有物质的同时,还有一个场的存在。而这个场就是时空。

太阳因为质量很大,他把时空做了弯曲,地球并不是心甘情愿围绕太阳转,它以为自己在走直线,但是它实际上受到太阳所形成的时空弯曲的引导。

时空引导物质运动,所以地球会围绕太阳转。

物质跟时空是互联的,这个互联就体现在“引力波”和能量的交换。在正常情况下不同时空之间很难发生作用。

但在极端的天体条件下,比如我们这次探测到的黑洞并合的瞬间,发出了巨大的能量,以波的形式,从其他时空传递过来,到达了地球。

在广义相对论的基础上,爱因斯坦于1916年预言了引力波的存在。

他认为任何加速运动的物质都会发出引力波。也就是说我跑两步,你走两步也可以有引力波,但这个引力波强度非常微弱,很难探测出来。

引力波会对时空产生什么样的作用?在多极的情况下,它在一个方向上会拉伸时间和空间,在另一个方向上会压缩时间和空间。

这个怎么理解?形象的理解就是:一张桌子,你用普通尺子去量,它是1米长。但如果尺子变了,你去量的时候,发现了这个桌子的长度也变化了。

引力波导致的是尺子的变化而不是物质的变化。

双黑洞合并导致时空弯曲,释放出这个引力波的过程中,如果我们把时空的效果再加进去,会是一个什么样的情况?

我们附加了下边这条线,是我们探测到的引力波的实际一个曲线。这是在不到1秒的时间内发生的一个事件:两个黑洞已经非常非常接近了,它们的旋进导致引力波的放出,然后旋进越来越近。

大家能看到不仅仅是两个物质间的运动,实际上是它们时空之间的相互作用。

当时空的弯曲作用逐渐接近,进入到非常剧烈的一个并合过程,在很短的瞬间释放出了巨大能量的引力波,使得这两个黑洞并合在了一起。这就是我们探测到的过程。

为什么引力波很难探测?

一是因为引力波源距离我们很远,二是即便有引力波,它跟物质的相互作用极小,一个引力波扫过你,你可能根本就没有任何的感觉。

在地球上一个氢弹的爆炸,所产生的引力波的量级是10的负27次方时空上的变化,这是我们无论如何也探测不到的。

必须有大质量天体的极端运动,才能产生足够让人类现在能探测到的引力波。这个量级有多少?

我们这次探测到了在10的负18次方时空里,有四个格之间我们发现了其中一格的空间晃动了一下。

为了探测到这个信号,我们建造了一个激光干涉引力波天文台,它台的臂长有4公里长,两个臂是垂直的,都有4公里。这里能看到光学的激光器件,信号是从这里被探测到。

这个天文台的基本工作原理是:一束激光打出来,翻成两束,再反射回来,如果两臂绝对等长,那在成像仪上就没有信号。

如果由于引力波的作用使得一个臂压缩,另一个臂拉伸,那就会在这个成像仪上产生信号。

时空都是相对的,唯有光速是绝对的,所以我们要借助激光这个媒介来测量空间的弯曲。我们来回放一下:我们想象的宇宙空间里,有着像水波纹一样的时空分布。

如果这里面有像黑洞这么大的物质,开始在里面对时空进行搅动的话,它就会不断地释放出引力波,这个引力波是在物质周围,跟物质联系在一起。

旋转越快、越近,引力波放出的能量就越大。最终这两个黑洞并合在了一起。

经过我们后面的推算,我们探测到的这个引力波信号,发生在13亿年前,经过了很多很多星系,最终来到了地球,这个过程只有一秒的时间。

而我们就在这一秒的之前的一个礼拜,把两个天文台做好了,刚刚好可以达到能探测到它的精度。

所以你说幸运不幸运?你说美不美?

通过我们的波形,推算出这两个黑洞的质量,一个相当于太阳质量的29倍,一个相当于太阳质量的36倍。并合以后的黑洞是62个太阳质量。

也就是说在不到1秒里面,有三个太阳质量的能量,瞬间从物质导入了时空,产生了一个巨大的引力波。

大家可以想象这个量级:太阳已经存在了45亿年,而且还将存在45亿年,它生命全过程中释放出来的能量,供地球用都用不完。

而三个太阳质量的能量,在不到一秒钟的时间内释放了出来,经过了13亿年传到了地球,我们才有机会在不到1秒的过程中捕捉到它、探测到它,这就是事件全过程。

为了做到这件事,我们的探测器达到了很多人类所能达到的技术极限。

第一是探测臂外面有一个罩,里面是一个真空腔,这是全世界最大的真空系统,4公里长。

而且我们等于有两个这种真空系统,它们在中间交叉了一下。因为真空能避免各种分子运动在空气中的干扰,所以我们要在真空里才把激光束打出。

我们打的激光也不能是一般的激光。必须是能量高又稳定的激光才能实现精密测量。

反射这激光的镜面必须质量非常好,激光打上去以后,由于热运动镜面开始变形,而必须排除各种干扰,我们才能探测到10的负18次方这样的精度,所以这个镜面也是特殊制造的。

悬挂这个镜面的机械装置是最稳定的一个振动隔离系统,外边不论怎么振,这个镜子必须不动。

最后,我们需要一个数据的采集和分析系统。我本人是计算机专业出身,所以我更多的工作是放在这个系统上。

2015年9月14日,5点51分,这个信号被捕捉到,进入到我们的数据分析系统。

9月14号5点54分,在3分钟之后,我们在线的程序流水线就发出了警告,告诉我们有这样一个信号值得关注。

这个程序流水线的名字叫Coherent WaveBurst,它做了一件非常简单的事情:计算这个波形的能量变化。发现在两个天文台捕捉到这样的能量变化,而且时间差距在10毫秒以内,我们就把这个信号提取出来。

认为这可能是一个引力波信号。

前面我们既讲了什么叫引力波的基础理论,又讲了我们怎么探测到引力波。

下面我就讲一下,为什么我们这么确信这个信号就是个引力波,而不是其他的东西?

我们把收集到的16天的数据都输入到这张图里面去,大家可以看到,左边是代表我们所有的信号的背景,右边这个点就是我们探测到的信号。

探测到的信号,远离我们整个数据的背景,远离的程度是多少?它的信噪比在23以上,它在天文上的标准显示度达到了5.1σ值。

在天文上,5以上我们认为就是一个新发现。我们没有机会对黑洞放出的引力波做实证的对比,因为我们现在还没有任何方式能观测到黑洞。那么我们做了一个仿真的对比。

上面是一个黑洞并合的过程,这个红线叫数值广义相对论的一个仿真曲线,这个灰线是从第一张PPT的数据中重构出来的——一个我们认为是引力波的曲线。

大家能看到这两个曲线的相似度在99%以上。在旋进并合到渐退的过程,它从35赫兹到350赫兹,在不到一秒的过程中剧变然后消退。

这不是一个普通的噪声所能伪装出来的信号,一个噪声想伪装成这样的一个信号的概率,20万年才会有一次。这件事加强了我们的信心。

通过这样一个对比,我们非常有信心:这是一个引力波的信号。

这项工作,有来自全世界一百多个科研机构的上千名科学家参与。从90年代开始建设天文台,到现在探测到引力波,历经20余年,清华大学是中国的唯一的参与单位。

这件事的理论意义,我想用这句话是最准确的概括了:

引力波的探测,是爱因斯坦在1915年提出的广义相对论在最极端最严格情况下的一个验证。

等于说是填补了广义相对论四大验证中最后的一块板块。

在天文上的意义在于说我们开始能够听到宇宙,打开了一扇探索宇宙的新窗口,开启了引力波天文学的一个新时代。

未来的工作很简单,这张图标识了我们用两个天文台来定位引力波源的一个精度。

这个精度还是很粗糙的,它不足以支撑我们未来精确的引力波天文学的研究。

未来我们要建设全球的引力波探测网络,这样的一个网络在美国已经运行,在欧洲和日本建设,甚至在印度也开始筹划,中国也在紧锣密鼓的计划中国主导下的引力波天文台的建设。

很多人都问我,你这个东西有什么用呢?

现在我可以明确地告诉大家,没有现实意义上能挣钱的应用。但是我想最起码在刚才的几十分钟里,它给我们了一个机会,让我们大家在一起去仰望星空。

引力波到底美不美?从刚才我给大家介绍的一系列数字之中,大家可以来想像自然和宇宙是如此的神奇。

13亿光年,65个太阳质量,在一秒钟之内放出了这么大的能量,而在10的负18次方的量级上探测到引力波的存在。

实际上我想讲的并不是自然有多神奇,我更想强调的是,人类居然能够理解这件事,是不是更神奇?

居然有爱因斯坦这样的人,在100年前就写下了方程,预言到了这件事。

而在100年后,居然有人就能做出这样的仪器,把它探测出来。

所以我想到底美不美,大家每个人心中都有你们自己的一个答案。

很多人也问我,到底时空穿越,星舰文明有没有可能?我想没有不可能的事情。

如果有一天,我们有了远航的星舰文明,它将会回想和2016年2月11号这一天,人类探测到引力波。这是一个历史的起点,而不是终点。

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