引力波 往届回声｜引力波：呱呱坠地 未来无限

编者按:第三届世界顶尖科学家论坛将于10月30日至11月1日在上海举行 包括61位诺贝尔奖获得者在内，近140位诺贝尔奖、图灵奖、菲尔兹奖、沃尔夫奖、拉斯克奖等世界顶级科学奖项的获得者出席了此次活动 论坛期间将有130多场科学家独立演讲和70多场主题峰会，大部分活动将通过互联网向公众直播 在过去两届世界顶尖科学家论坛上，宇宙是科学家无法回避的话题 其中，引力波作为2016年被公开验证的预言，立即获得了2017年诺贝尔物理学奖，其重要性不言而喻 本网站据此组织了世界顶尖科学家论坛的前参与者对引力波的讨论 它的意义不仅在于完成了百年广义相对论之谜，也为人类探索宇宙开辟了新的工具 距离地球13亿光年，两个黑洞围绕着彼此旋转和舞蹈 它们的质量分别是太阳的29倍和36倍 随着《死亡之舞》的接近尾声，两个黑洞之间的距离越来越近，旋转的速度越来越快，最后相互碰撞，电光石火之间不到一秒钟就合成了一个质量是太阳62倍的新黑洞 中间失去的能量激起了宇宙中一系列的涟漪，荡漾在无边的空 这个被称为“引力波”的信号，在经历了13亿年的漫长旅程后，于2015年9月14日5点51分击中了美国路易斯安那州莱文斯顿的激光干涉探测器 7毫秒后，华盛顿汉福德的探测器也收到了这条信息 7毫秒是光速在两地之间传播所需的时间 双探测器构成了“激光干涉引力波观测台”的右臂 随着首次探测引力波的成就，这个名字注定会被载入人类科学的史册 32岁的意大利人马可·德拉戈是全球LIGO科学合作组织的博士后，他第一次在德国汉诺威的电脑屏幕前看到这个信号 如果你在网上听过这个音频，你会发现它像秋天的蟋蟀鸣叫一样微弱 但它带来的惊喜和震撼不亚于那对黑洞的碰撞和合并 “引力波”在LIGO成千上万的成员中迅速传播 LIGO项目的元老之一，83岁的雷纳·韦斯正在缅因州度假。他登录了系统，看到了信号。他忍不住惊呼“上帝。” 后来，他与基普·索恩和巴里·巴里什分享了2017年诺贝尔物理学奖 这组科学家决定阻止这个惊喜，并在2016年2月11日把它留给世界 原因很简单。这是爱因斯坦广义相对论一百周年 这是物理学家的浪漫 像黑洞一样，时间的涟漪空也是广义相对论的重要推论 在广义相对论的叙述中，时间和空会在质量面前弯曲 时间空在伸展和压缩的过程中，振动会扩散，这些振动就是引力波 我们可能会在地球上随时随地遇到来自宇宙中各种来源的引力波:两个黑洞的合并、中子星的自转、超新星核的坍缩等等 然而，即使像黑洞这样质量巨大的系统相互碰撞和融合，产生的引力波信号也很微弱地传递到地球上 就连爱因斯坦自己也无法想象如何测量引力波 1969年，美国玛丽拉大学的工程学教授韦伯声称用他的共振带探测到了引力波 韦伯共鸣器棒是两个铝制圆柱体，放置在马里兰大学和芝加哥附近的阿贡国家实验室的校园里 韦伯认为，这两个共振带在接触引力波时可以像铃铛一样振动，并被周围的传感器转换成电信号 为了消除其他地面振动的影响，谐振杆悬挂在true 空 当两个共振棒在微小的时间间隔内产生相同的振动时，韦伯认为他已经探测到了引力波 这一发现让许多物理学家非常兴奋，但由于许多人没有重复实验结果，韦伯的结果也陷入了无限的争议之中 然而，在受韦伯启发的一群物理学家中，许多人一生都在继续追求引力波，最终在LIGO相遇 引力波可以使时间空拉长，但幅度很小 有多小？巴里什在第二届世界顶尖科学家论坛“未来国际科学论坛”上介绍，这是10对负的第12次方，即1/1000000000000。 地球表面的许多振动会掩盖这样的变化 因此，最灵敏的耳朵只能在最安静的空时才能“听到”地球上的引力波 激光干涉引力波探测器的基本思想是:将两个长度相同的探测臂呈L形放置，激光源放置在L形中间的拐点处，激光沿着两个管中的每一个发射，在两个臂的末端放置一面镜子反射激光 在true 空中，同时发射的两束光应返回中间拐点同时相遇。在干涉下，光束不会到达光电探测器 但是，如果引力波通过探测器，两个真空管中的空之间会有轻微的拉伸和压缩，两束光束之间会出现光程差，从而泄漏到光电探测器 思路清晰，操作不简单 除了科学方案的设计，还涉及到项目资金和团队管理的纠缠 1984年，美国国家自然科学基金会出于资金考虑，要求将麻省理工学院和加州理工学院两个独立的引力波探测项目合并为一个，与当时世界上其他引力波探测团队合作，如德国。嘉兴队和苏格兰格拉斯哥大学队，这就是LIGO的原型 然而，由于管理者之间的分歧，整个项目在未来10年陷入了泥潭，举步维艰 当时的负责人轻视NSF的监管，拒绝提供详细的工作计划，将整个团队保持在小规模 1994年，退出破产的美国超导对撞机项目的巴里什接任了LIGO项目的负责人 在这一点上，项目就像一潭死水 这个温和的内布拉斯加人在秋风和落叶中对LIGO进行了全面的改造 巴里什在几个月内给出了一份NSF想要的详细计划 他改进了项目的基础设备，如干涉仪的真空腔，在两个LIGO岗位安排常驻科研人员，并为后续升级改造设立了稳定的研发项目 这一新计划被NSF接受，并以3.95亿美元打破了当时NSF的单笔投资记录 随后，两台干涉仪破土动工 在人员方面，巴里什将LIGO项目扩展到加州理工学院和麻省理工学院之外 1997年，他成立了LIGO科学联盟，吸引了成千上万的外部科学家参与 1999年，LIGO建成 2002年，LIGO开始接收数据 2005年，巴里什离开LIGO，准备国际直线对撞机 在离开之前，巴里什留下了一个关键的升级计划 2014年，LIGO最终达到了关键精度:10的负12次方 万事俱备，只等宇宙中的一阵风 宇宙使者看到这里，你可能还没有完全理解引力波探测的意义 这绝不是一次性填平广义相对论的最后一道谜题，然后做出最后的结论 引力波可以是工具 虽然在第二届顶尖科学家论坛的“黑洞与空日科技峰会”上，当观众好奇问引力波能否用于通讯时，亚当·里斯等科学家否定了短期内的可行性，但引力波为理解宇宙打开了新的窗口。 两年内引力波引起的第二次热潮就是最好的证明 2017年10月16日，在提前给了一个重重的警告，挂上了全世界的味道之后， NASA 空欧洲南方天文台、南京紫金山天文台、英国科技装备委员会、法国国家科学研究中心等全球数十家科学机构终于联合宣布重大成果:从约1.3亿光年外，科学家首次探测到由壮丽的双中子星及其光学对应物组合产生的引力波 当一颗恒星走到生命的尽头时，就会通过引力坍缩发生超新星爆发。根据质量的不同，核心可能被压缩成白矮星、中子星或黑洞 中子星几乎完全由中子组成，是目前已知的最小、密度最大的恒星 像质子一样，中子是构成原子的粒子，但它们是电中性的，比质子稍大 中子星的密度有多大？一茶匙重10亿吨 它们的半径一般在10公里左右，但是它们的质量可以超过两个太阳 当然，这种质量与黑洞相比相形见绌 因此，中子星激发的引力波更弱，更难探测 除了惊人的技术进步，这次引力波事件还解决了天文学中一个有趣的未解之谜:黄金从何而来 巴里什介绍说，当LIGO项目刚开始设计和建造时，它从未指望能带来除这些引力波以外的收益 在宇宙早期，只有氢和氦等氢元素，一颗恒星的命运就从这里开始了 在随后的恒星演化过程中，伴随着核聚变反应，形成了质子数更高的重元素 然而，宇宙的自然核聚变只能产生含有26个质子的铁 这是因为铁的核结合能达到了一个峰值，分离质子和中子需要极高的能量。毅力里面的“炼丹炉”是无法满足的 科学家曾经认为恒星生命末期的超新星爆发足以提供这种能量 然而，这一假设被后来的发现逐渐打破 宇宙需要一个更大更热的炼金炉 在过去的几年里，天体物理学家已经开始形成一种主流的认识:中子星合并是最有说服力的机制 两颗中子星围绕一个共同的中心旋转，构成了一个双中子星系统 它们会在自转过程中不断释放引力波，导致系统能量减少，轨道缩小，最后碰撞在一起并合并 科学家们仍然不确定组合的形状，这很可能是一个黑洞 Superiron就是在这个时候诞生的 当双中子星合并时，它们不断抛出一些中子星碎片——其中大部分是中子，少数是质子 在碰撞的一秒钟内，这些中子星碎片扩散到几十公里外，形成了密度与太阳相同的云 在这个“炼金炉”中，中子和质子相互俘获，形成大量富含中子的不稳定同位素 中子迅速衰变为质子，形成金等重元素 据估计，中子星的碰撞可以形成重达300个地球的黄金 这些“宇宙烟火”的余烬散落在浩瀚无垠的宇宙中，其中一些在46亿年前与地球融为一体 它们被开采和锻造，成为人类手中的金币和物品上的珠宝...这一次，为中子星合并形成重元素提供了重要证据，即合并后的光点颜色由蓝色变为红色，与理论模型的预测一致。 这个越来越红的光斑来自于“光学对应物”:李-帕钦斯基巨新星 这一现象最早是由中国天文学家、北京大学教授李立新和他已故的合作者博丹·帕钦斯基在1998年预言的 除了可见光和红外光之外，中子星合并时形成的吸积盘会在旋转轴处形成伽马暴，这也是引力波到达地球后2秒观察到的现象 未来几周，这种合并将继续发射其他频段的光，包括X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波，这就是“宇宙烟花”的长余辉 回到事件的开始 引力波在这个“炼金术”“宇宙烟火”中扮演什么角色？原来前面提到的可见光、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等。都是电磁波，是光子携带的光信号 长期以来，这几乎是科学家用来感知宇宙的唯一窗口 2015年，LIGO探测到黑洞触发的引力波 黑洞吸收光，可以用“听不见”来形容 这一次，在LIGO确定了比黑洞小得多的中子星触发的引力波信号后，全球70多台望远镜指向1.3亿光年外的NGC 4993星系观看“烟火” 从此，人类对浩瀚宇宙的感知从简单的“看”增加了另一种方式，可以相互印证 科学家称之为“多信使天文学”时代 这可能比找到黄金的来源更重要 引力波的国际聚会如果说引力波的第一个头条是LIGO的独角戏，那么第二场盛宴已经是国际合作的聚会了 欧洲的处女座引力波天文台是第一个进入的 该项目由法国、意大利、荷兰、波兰、匈牙利和西班牙的科学家共同参与，于2003年在意大利比萨附近的小镇卡西纳完成 经过多年的升级，“高级LIGO”天文台在2017年8月联合探测到一次黑洞碰撞引力波事件 加上第三天文台，探测精度大大提高，锁定事件面积只有60平方度，比有LIGO的两个天文台小90% 在亚洲，日本领先，神岗引力波探测设施于2010年正式启动，位于日本富山市岐阜县神岗山 这将是世界上第一个低温地下引力波探测器 申钢引力波探测设施建设已进入最后阶段，预计今年年底正式投入使用，并参与VIRGO处女座国际联合测量 印度原子能部和科学技术部于2016年3月与LIGO签署了合作备忘录 根据协议，加州理工学院和麻省理工学院将为印度提供LIGO完整的硬件和设计技术数据，并为配套基础设施的安装和调试提供培训和帮助 印度负责为建造引力波观测站提供地面、true 空系统和其他基础设施，以及安装所需的所有劳动力、材料和材料 INDIGO位于印度西部马哈拉施特拉邦的兴日县，几乎是LIGO的翻版。预计耗资1.77亿美元，将于2025年完工 目前我国引力波探测力量主要部署在Tai 空，即三颗卫星在轨道上形成等边三角形，形成一条长达数万公里的干涉臂，包括中山大学牵头的“秦天计划”和中科院牵头的“太极计划”。 2019年9月20日，中国科学院副院长向立彬在发布会上透露，我国首颗空引力波探测技术实验卫星自2019年8月31日成功发射以来，一直处于正常状态。在轨测试任务第一阶段顺利完成 微重力技术实验卫星正式命名为“太极一号” 太极一号首席科学家吴跃良认为，这为我国在2030年前后实施太极计划第三步，率先在空之间的引力波探测领域取得突破奠定了基础 Barish也看好中国空引力波探测领域 巴里什认为，与过去相比，引力波探测项目更容易获得政府支持资金，LIGO的成果彻底颠覆了这一领域的格局 “LIGO在当时是一个高风险的实验项目。我们不能保证我们能探测到什么。前后花费超过10亿美元，最后可能是浪费水 当然，最后的结果是好的 这表明美国政府愿意冒险投资科学 在科学上，如果你想成就大事，你必须冒险 ”巴里什说 然而，考虑到LIGO在地面引力波探测方面的巨大领先优势，巴里什认为，许多国家单独建立自己的地面引力波探测项目既不容易，也没有必要 他说:“引力波探测项目的建设涉及多方面的知识和技术。我们过来这么多年，知道有多难。 同时，他表示，LIGO对世界合作持开放态度。如果其他国家现在想进入地面引力波探测领域，与LIGO合作可能是更好的选择 空之间的引力波探测孕育着巨大的机遇，尤其是对于刚刚进入引力波探测领域的国家 他提到，由于NASA在哈勃空望远镜未来继任者——詹姆斯·韦伯空的研发上花费远超预期，美国政府一直无法支持更多的Tai 空项目，而空之间的引力波项目也在5年前搁浅 目前美国在这方面寻求与欧洲空局间eLISA项目合作，但主要由欧洲方面牵头，进展较为缓慢 Barish对中国在空之间检测领域的发展非常乐观:“中国在时间轴上与eLISA赛跑甚至超越eLISA并不难。” 他甚至预见到了未来这一领域的繁荣:“如果你现在想研究天体物理学，就必须开发引力波项目。” 他认为，未来几十年甚至几百年，这个领域还会不断出现新的成果。“现在只是新生儿。” "