理工女科普|引力波是什么?

是理论物理学家的疯狂构想,还是黑洞融合产生的时空弯曲,抑或是《三体》里的超级通讯工具?曾在德国普朗克爱因斯坦研究所实习的理工女小伙伴为你细细道来。(内附招生宣传(*´∀`)~♥工科妹子看过来!)

文 / 聂品

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题图:模拟两个融合中的黑洞产生的引力波。来源:NASA

今年七月,曾有这样一条科学新闻短暂地吸引了公众的眼球——“诺贝尔奖级研究计划启动,中大百万年薪全球寻人!” 这一由中山大学领军的项目,有一个好听而意味深长的名字:“天琴计划”。该项目致力于探测引力波,而将其称为诺奖级别的研究计划并不为过。

笔者有幸认识国内参与组建“天琴计划”的几位老师,并曾在德国普朗克爱因斯坦研究所(Max-Planck Institute for Gravitational Physics/ Albert Einstein Institute)的引力波探测天线组(eLISA)做过暑期实习,因此对引力波及其探测工作有所了解。在此,我想为大家介绍一下基础物理学里这个有趣的方向。

引力波是什么?

谈起引力波,就必须先讲讲爱因斯坦广义相对论下的四维时空。在爱因斯坦的思想里,引力不再是普通的力,而被理解成时空结构的弯曲。比如地球绕太阳公转这一运动,可以想象成在一个橡胶膜中间丢一个大质量的球,然后这个平面就凹陷下去了,于是地球本身的直线运动就会随着空间结构的改变,变成绕太阳的旋转。在2013年的大学生物理学术竞赛(CUPT)中,我也曾做过这个实验。

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模拟弹性空间。来源:2013年国际青年物理学家竞赛 IYPT

大质量的物体会改变空间的结构,而加速运动的物体则可能产生一种能改变空间结构的波。这一般被称为时空涟漪,也就是引力波(gravitational wave)。

引力波作为爱因斯坦广义相对论的四个预言之一(其他三个是:引力场内的时间膨胀,光的引力红移,以及引力时间延迟效应),是目前唯一一个尚未直接观测到的现象。1935年,纳森·罗森和爱因斯坦共同将著名的爱因斯坦场方程简化到二维圆柱状宇宙后,获得了这个方程的解析解。正是在这个解析解中,他们发现了引力波的存在。

起初,科学界包括罗森和爱因斯坦自己在内都不相信引力波在实际意义上真正存在。他们起初将其解释为在解方程过程中因坐标选择而产生的人为产物,并尝试发表论文声明这一观点。不过,霍华德·罗伯特逊,一位对广义相对论非常了解的美国数学物理学家,在审阅他们的论文后,一针见血地指出这一观点存在错误,并驳回了那篇论文。而后,在与爱因斯坦的讨论中,罗伯特逊说服了爱因斯坦。然而直到七十年代,“引力波是真实存在的”这一观点才几乎被所有的物理学家所接受。[1]

根据爱因斯坦的预测,引力波经过的地方,时空的结构会发生波动性的改变。想象空间里的一个正方形,原本每个边的长度是相同的,当引力波经过的时候,会挤压或拉伸这个正方形,而使得它的边长发生非常非常微小的变化。测量两个方向上的距离改变,也就是测量引力波的基本原理。但是,由于这种改变非常微小,测量也就非常非常困难,以至于有时科学家们也会怀疑最终是否能够测量到引力波。据说,一个激光干涉引力波天文台项目的领头人曾在讲座上说,“有时候我在床上躺在老婆旁边,就在想,天哪,过去的20年我花了国家那么多钱,却没有测到引力波。为什么我还好好地活在这里? 真应该自杀去!”

二十多年的努力却没有探寻到结果, 的确很让人绝望。不过,科学家们始终坚持不懈,也是因为有点底气。1974年,拉塞尔·赫尔斯在他博士最后一年写论文的时段,跑到康奈尔大学的阿雷西博天文台做访问学者,其间与约瑟夫·泰勒合作做了大量关于脉冲星的研究,并在其中发现了脉冲双星PSR B1913+16。通过对其长期的观测和深入研究,他们发现双星之间的距离在以每天7.42mm左右的速度缩短,且周期在缓慢地衰减,说明能量在耗散。而能量的耗散,正是引力波存在的间接证据!因为这项成就,他们被授予1993年的诺贝尔物理学奖。

如何探测引力波?

跟电磁波谱一样,引力波也有很多波段。

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引力波谱。来源:NASA

不同波段上的引力波源,有不同的探测方法。例如来自宇宙大爆炸最初期暴涨阶段的原初引力波: [2] 去年有新闻报道位于南极的BICEP2(宇宙泛星系偏振系统成像二代 Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2)测到了原初引力波信号,物理学界很是激动了一段时间。

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原初引力波。来源:The BICEP2 Collaboration

理论上讲,原初引力波会让光线有一种特殊的偏振模式,于是科学家预言在微波背景辐射中能看到这种模式的旋(curl)。在南极的BICEP2设备上,科学家们的确观察到了微弱但明显的如上图所示的旋。由于数据的极大相似度,旋的存在是毫无疑问的了。可是最终普朗克天文项目[3]发表报告,否认了这是原初引力波的直接证据,因为引力波并非这种旋存在的唯一缘由,还有可能是星际间的尘埃所致。这也是高能物理和宇宙学等物理分支中常存在的挑战:即使观测到了一个信号,也必须完全排除其他的可能性,找到充分且必要的证据,才能下结论。

另外一种探测引力波的方法是利用脉冲星(一种能持续发射射电波束的中子星)。经过计算推导预测,两个星系中心巨大黑洞环绕而发出的引力波信号是10-8赫兹这个量级,而针对这个量级的引力波主要是借助脉冲星来进行观测的。脉冲星因其高速旋转且周期稳定,在天文学上被用来记时。在毫秒脉冲星的发现之后,记时的精度更是大大提升。由于脉冲星的自转轴和磁轴一般不重合,当有电磁波束扫过地球时,就能接收到一个脉冲。于是,科学家们使用地面上的射电望远镜观测大量的脉冲信号,试图在其中察觉到由于引力波引起的时间涨落,从而寻找引力波存在的证据。

而地面上的LIGO(以及设计略有不同的地面引力波探测激光干涉仪,包括德国的GEO,意大利的VIRGO,和日本的TAMA)和天上的LISA则都是使用激光干涉仪精密测距的方法来测量引力波。简单来讲,通过迈克尔逊干涉仪(下图)来测量空间结构中两个方向上的距离是否发生了微小改变。

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迈克尔逊干涉仪。来源:维基百科

早在1999年,美国就在地面上搭建起来了两座激光干涉仪引力波探测器,分别位于路易斯安那州和华盛顿州;但期间一直没有探测到信号。于是他们停止工作了五年来升级系统,并在今年不久前完成更新,已经开始了首次观测。由于灵敏度提高了3倍,测到引力波的可能性大大提高,所以期待他们能在不久的将来测到引力波信号[4]。

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激光干涉引力波天文台。来源:LIGO

而要想实现太空中的引力波探测天线的搭建工作,预计还需要二十年的时间去达到这一技术水平,也就是现在更名的eLISA计划和国内今年刚起步的“天琴计划”[5]。有兴趣的孩子们可以关注一下哦,也许以后能去那边工作呢!

eLISA目前的计划是一颗主卫星,两颗副卫星,主卫星和副卫星之间相距1,000,000km,有来回两所束激光,分别形成类似于上文提到的迈克尔逊干涉仪的一个臂。

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引力波探测天线。来源:ESA

由于在太空中,引力波探测器可以有效地避免低频段的干扰,因此引力波探测天线能够精确测量10-4~10-1赫兹频段的信号。而根据理论物理学家们的计算,这个范围内的引力波源会非常多,也就是说,测量到引力波的可能性会大大增加。

不过,为了实现引力波探测天线项目,有很多事情需要一步步去完成。目前我们已经能做到测量10-18米这么小距离的改变,大概是原子核直径的千分之一[6]。可是这还远远不够;太多技术上的细节需要一步步测试和打磨。比如经过长距离的传播,激光扩散到较大的面积之后,如何提高接受到的光信号强度?比如等效于迈克尔逊干涉仪上镜子的测试物块,需要完全隔除其他力的影响,怎样才能实现?于是今年ESA(欧洲空间局)即将发射一颗名为LISA探路者的卫星,上面搭载了缩小版的激光干涉仪,主要改进在于臂长缩小了,如下图所示。

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LISA探路者内部细节,上图最后全装载到一个卫星里面去。来源:ESA

在非常非常多的技术问题中,我参与的其实就是其中一个接受光信号的光电探测器(迈克耳孙干涉仪里面的“detector”)。远处传来的微弱光信号通过望远镜聚焦成较小的光束,然后与本地的一束激光合束,干涉产生拍频信号。光电探测器接收到这个信号后,先将光信号转化成电信号,再将其中的直流量和交流量分开。接下来,通过放大电路将非常小的交流量进行大倍数的放大之后,再交给后面的相位计。从相位计中,我们就可以读到由于距离改变而产生的相位改变。

哪怕是这么一个小部件,为了达到非常低的噪声和足够高的放大倍数,也得花上不少功夫去测试和优化,才能做出满足要求的高性能光电探测器。类似地,很多应用在引力波探测器上的技术,对相关的每个细节都提出了高于目前工业界的要求,这也侧面促进了技术的发展。

在下一步行动中,激光干涉仪技术将使用在地球重力场测量的GRACE Follow-on[7]的两颗卫星上,一方面可以在已经能够派上实际用途的卫星项目中提高其测量精度,另一方面也是引力波探测计划的一次很好的测试机会。

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搭载激光干涉仪精密测距技术的地球重力场测量卫星 Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on。来源:ESA

科学家们就是这样一步步去实现这个大计划,相信中国将来的参与也会加快这一进程。

最后谈一点小小的感受和做一个广告: 这种程度的项目,跟大型粒子对撞机(LHC[8])一样,需要的不仅仅是物理学家,还包括理工科各个领域的人才。比如本科时我的科研组里面,就有光电专业、机械专业和电子专业的博士学生。而我本科毕业设计做的光电探测器,其实交给电子专业的人来做会更有效率。“天琴计划”的招聘方向里是这么写的:

1)引力理论:广义相对论,引力理论,宇宙学等

2)空间引力实验:月球激光测距,无拖拽控制,空间任务系统模拟和数据分析

3)精密测量技术:精密光学机械设计与分析,低噪声电子技术等

所以工科的妹子如果以后有兴趣,欢迎申请,你可以亲身参与到引力波探测计划中来哦!

其实我刚进组的时候,曾觉得大家做的事情很不可思议。甚至到现在,我也还是会觉得很多物理科研组在做不可思议的事情,比如寻找上帝希格斯粒子(higgs boson)和研究量子计算机等等。也许引力波探测在其他人眼中也是如此高深莫测甚至匪夷所思吧。

我想,物理学家就是这么一群执着、坚定、理性而常常不被理解的人。但是如果认真去了解的话,你会发现他们都在兢兢业业地挑战极限,不断打磨每个细节,不断提出新的方法和技巧,并一步步地接近和实现自己的梦想!

希望最后我们真的能够探测到引力波——说不定还能像《三体》中所描述的一样,让引力波派上用场呢!


参考资料

  1. 引力波是如何从理论中发现的

  2. 原初引力波相关报道

  3. 普朗克天文项目关于否认实际探测到原初引力波的声明 普朗克天文项目:宇宙背景辐射各向异性测量卫星,Planck卫星是WMAP卫星的后继者,于2009年升空,2013年刚刚开始发布数据。Planck的观测精度已经逼近所谓「宇宙方差」(cosmic variance)的极限

  4. 引力波搜寻重启

  5. 天琴计划相关报道

  6. YouTube Chanel: LISA Mission

  7. GRACE Follow-on

  8. 大型强子对撞机

  9. Barke, S., et al. (2015). “Towards a gravutatuibak wave observatory designer: sensitivity limits of spaceborne detectors.” Classical and quantum gravity 32(9): 095004.

  10. Usefully tutorial about Gravitational Wave: http://www.astro.cardiff.ac.uk/research/gravity/tutorial/, http://www.einstein-online.info/, http://www.tapir.caltech.edu/~teviet/Waves/gwave_spectrum.html

  11. One way to get involved, Einstein@home

  12. To design your own gravitational observertary

  13. LISA Pathfinder

  14. eLISA


作者简介

聂品,湖北黄冈人,华中科技大学物理学本科,现南洋理工大学物理博士,城市小区域大气方向。


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