因为它本身有这个潜质。
而且 LIGO 已经探测到了它的存在。
引力波是什么?
首先,抛一个「我思故我在」的哲学话题。
我们平时所谓「看得见」,本质上是这个东西发光或反光,光线进入眼睛后,产生一系列生物反应,最终在大脑产生视觉信号,这就是「看得见」。
所谓「摸得着」,那是手指的分子与这个东西的分子足够近,分子间产生排斥力,使神经系统产生压力信号,让我们认为摸到了这个东西,实际上分子之间是不接触的。
我们看到的只是光,摸到的只是分子排斥力,而这个东西到底是否存在,严格的说,是不确定的。更刁钻一点,如果有个技术能模拟各种各样场景的大脑信号,那这个大脑是分不清幻觉和现实的。也许世界根本就不存在,是你的大脑信号一直在欺骗你。
这个滥话题有点扯蛋,科幻电影翻来覆去拍过好几遍,但换个场景,就有点意思了。
引力波的价值
人类观察宇宙,主要通过测量各种射线、紫外红外、可见光等电磁波,归根结底,还停留在「看得见」这个层面,而且是依靠「电磁波」才看得见。万一有个东西不辐射电磁波,也不存在电磁相互作用,那我们就傻眼了!对只能通过电磁波观察宇宙的地球人来说,这就相当于隐身了。
有人会说,这种没头没脑的假设,是毫无意义的钻牛角尖!众所周知,任何有温度的东西都有辐射,而任何东西的温度又不可能达到绝对零度,也就是说,任何东西都有辐射,谁能说出一样没辐射的东西?有吗?有吗!
别急,还真有,这就是暗物质。虽然暗物质尚未证实,但绝不是空穴来风,不过这货今天是来跑龙套的,再多的镜头就不给了,过。
暗物质在与人类玩躲猫猫的过程中始终游刃有余,而宇宙中,又有多少像暗物质那样未被发现的东西?人类科学发展至今,急需第二件工具,引力波正是不二之选!(好吧,其实除了引力波,我们也没有其他选项。)
引力波的预言
牛爷发现万有引力后,大家普遍认为引力的传播是不需要时间的,比如,太阳突然出现,地球就能瞬间感受到引力,太阳突然消失,引力也就跟着瞬间消失了。这和我们普通人的理解差不多。
但这样的话,相对论的很多公式就对不上了,任性的爱因斯坦既然能把空间掰弯,把时间拖慢,把任何与相对论矛盾的东西都干掉,引力自然也不例外。
按照广义相对论洛伦兹不变性的推导,爱因斯坦预言,引力以光速传播。比如,太阳突然出现,它的引力是以光速向外传播,地球将在 8 分钟后感受到引力,太阳突然消失,地球也是 8 分钟后感受到引力的消失。这就是引力波的概念。
我们按「相对论」的高逼格,重新表述:质量发生变化,导致时空结构改变,时空结构的变化将以「波」的形式传播。
这个想法倒是蛮有创意的,但也没什么神奇之处吧?如果我们拿引力波和电磁波做对比,就会发现很神奇的事情。电磁波是极易被干扰的,雷达波遇到金属网就懵圈了,可见光,拿个镜子就能反射,而宇宙短波射线,碰到大气层就认怂。
而引力,仿佛亘古不变,不可屏蔽,不会转向,执着的以恒定光速向外传播,无论你在太阳和地球之间干了什么事情,丝毫不会影响太阳对地球的引力,这才是真爱啊!
于是,脑洞大开的物理学家提出,引力可能是在更高维度传播的,不受三维空间的束缚。你的小脑袋也不用去想象多维空间的样子,这是数学模型,身处三维世界的人类大脑是无法形成图案的。
说到这,有很多大仙开始算命了:宇宙不过是人家的一粒原子,空间有二百五十维……哥们儿,物理学家的理论都有严密的数学做背书,您可别一拍脑袋出个理论,再一拍大腿又出个预言。
玄学和科学的差别就是数学。没有数学的物理模型,只能算童话故事。
引力波的测量
所以,非常抱歉,你得重新认识引力了。
电磁辐射消耗能量,所以物体散发电磁波会导致自身能量不断下降,因为能量守恒嘛。同理,引力也在对外传播,那会不会有「引力辐射」,也导致物体能量的减少?物理学家设计了一个异常宏大的实验方案。
首先是,间接证据:宇宙引力实验室
两颗质量不变的星星,相互绕着旋转,按照经典的理解,轨道半径是不会有任何变化的。
但按照相对论引力波的理解,两颗旋转的星星,忽远忽近,使得引力忽大忽小,并以光速对外传播,这种「引力辐射」使双星的能量不断降低,进而导致双星运行轨道变短。
实验原理虽然简单,但即便拿 2 个地球那么大的物体做实验,数据仍然小到微不可察。幸运的是,宇宙早就为我们准备了一个完美的「引力实验室」,1974 年阿雷西博射电望远镜发现了一对脉冲双星,编号 PSR1913+16,为了强调这个「天然实验室」的重要意义,天文学家专门把「脉冲双星」这个名称保留给这对星星。下面开始试验了。
某天,阿雷西博望远镜接收到了一个来自宇宙的微弱脉冲信号,意味着发现了一颗脉冲星。这其实没啥好得瑟的,但天文学家很快发现了异常,通常脉冲星频率极其稳定,精度堪比原子钟,但这颗脉冲星的脉冲周期前后偏差却有十亿分之 58 秒。很明显,如果不是外星人的信号,那一定是有一颗伴星影响了电磁波传送。
人类已经有能力把脉冲星的频率测量的无比精确,仅仅凭借这一个参数,天文学家犹如福尔摩斯一般,把这对脉冲双星的家底算了个底朝天:自转周期 0.059029995271 秒,公转周期 27906.98163 秒,还有诸如天体质量,轨道半径等等参数。
按照引力波的预言,这对脉冲双星因为引力辐射损失能量,应该会导致公转周期每年减少百万分之 75 秒,并在 3 亿年后合并。天真的天文学家持续进行了多年的观测,最终,根据脉冲变化规律计算得:公转周期每年减少百万分之 76±2 秒,半长轴每年缩短 3.5 米,与相对论预言极其吻合!啥也不说了,先给诺贝尔奖!
这是首次对广义相对论最精确、最全面的检验!这下真是炸了锅了,引力竟是这般模样。
脉冲双星提供了有力的间接证据,于是大伙都指望直接测量引力波。
于是,直接测量的激光干涉引力波天文台 LIGO 就来了。
使用 App 查看完整内容目前,该付费内容的完整版仅支持在 App 中查看
🔗App 内查看 |