引力波 發現愛因斯坦廣義相對論缺失的“最後一塊拚圖”pdf

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2019年8月22日13:17:33 1 387

引力波 發現愛因斯坦廣義相對論缺失的“最後一塊拚圖” 內容簡介

十幾億年前,在浩瀚宇宙的某個時空,兩個黑洞發生了碰撞。其中一個黑洞的質量是太陽的29倍,另一個是太陽的36倍,它們碰撞後合並成一個大黑洞,質量達到太陽的60倍。黑洞碰撞是宇宙起源以來威力*大的天文事件之一,釋放出的能量超過1021個太陽。黑洞合並時,無數能量以引力波的形式,不停地向外傳播,在時空中蕩起層層漣漪。

1916年,阿爾伯特?愛因斯坦在一篇關於廣義相對論的論文中預言了引力波的存在。2015年9月,引力波經過長達14億光年的星際旅行來到了地球。

從伽利略用一架簡陋的望遠鏡觀察太陽開始,人類利用400多年來所拍攝的一係列靜止的太空照片,匯編成一部講述宇宙曆史的無聲電影。然而,所有望遠鏡都無法記錄黑洞碰撞的過程,人類能夠捕捉到的*線索可能就是時空振蕩發出的聲音。

半個世紀之前,一股記錄宇宙聲音的熱潮悄然掀起。為了“在相當於地球周長1000億倍的距離上測量出比人的頭發絲直徑還要小的長度變化”,為了給宇宙曆史這部無聲電影配上一張原聲大碟,許多科研人員全身心地投入到引力波探測實驗當中。

2015年9月和2016年2月,激光幹涉引力波天文台(LIGO)兩次成功探測到引力波,證實了100年前愛因斯坦的預言。

在《引力波》一書中,作者珍娜?萊文再現了50多年來,LIGO科學合作組織的科研人員在此過程中麵臨的困難、經受的考驗和付出的艱辛。引力波探測本來隻是一個有意思的思想實驗,但引起了雷納?韋斯、基普?索恩和羅納德?德雷弗的注意。為了把夢想變成現實,他們組建了一支規模達數百人的國際性研究團隊,建造了兩台靈敏度非常高的巨型探測器。他們一直在跟時間賽跑,希望在愛因斯坦提出引力波概念100周年紀念日到來之前,能聆聽到來自遙遠太空的“引力波藍調”。

珍娜?萊文在《引力波》一書中將這個精彩程度不亞於《星際穿越》的故事娓娓道來,以引人入勝的筆觸為我們描述了其間的驚奇、失望、成就、風險和人性。

《引力波》是一部關於引力波的編年史,有情節,有聲音,更有溫度。

引力波 發現愛因斯坦廣義相對論缺失的“最後一塊拚圖” 目錄

推薦序

第1章 黑洞碰撞

第2章 宇宙的聲音

第3章 廣義相對論

第4章 引力波探測先驅

第5章 錯誤的宣言

第6章 “40米”實驗室

第7章 藍皮書與三巨頭

第8章 發現脈衝星

第9章 實驗室裏的開拓者

第10章 漢福德天文台

第11章 臭鼬工廠

第12章 霍金的賭局

第13章 羅生門事件

第14章 利文斯頓天文台

第15章 一群探索宇宙奧秘的人

第16章 與時間賽跑

引力波 發現愛因斯坦廣義相對論缺失的“最後一塊拚圖” 精彩文摘

第一章 黑洞碰撞

在宇宙的某個地方,兩個黑洞發生了碰撞。這兩個黑洞與恒星的質量差不多,體積卻隻有一般城市那麽大,是真正意義上的黑洞(裏麵空蕩蕩的,沒有一絲光)。在碰撞發生前的*後幾秒鍾裏,它們在引力作用下一起繞著*終接觸點完成了數千次的旋轉,使時空發生了劇烈振蕩。碰撞之後,這兩個黑洞合並到一起,形成了一個更大的黑洞。黑洞碰撞是宇宙誕生之後威力*大的一個現象,釋放出的能量超過1021 個太陽。碰撞發生時一片黑暗,爆炸產生的所有能量都不會以光的形式逸出,所以用任何望遠鏡都無法觀察到。

黑洞合並時,無數能量以純引力,也就是引力波的形式,不停地向四周傳播,時空受到擾動而泛起漣漪。但是,即使有宇航員正好在附近,他也不會看見任何異常現象。不過,他所在的空間會發生鈴振現象,對他擠壓、拉伸,使他的身形發生變化。如果靠得足夠近,他的聽覺器官會隨之振動,也就是說,他可以“聽見”引力波。在空無一物的黑暗中,他可以聽見時空發出的聲音(如果黑洞沒有奪走他的生命)。引力波就像不需要物質媒介的聲音,在黑洞相互碰撞時,就會發出這樣的聲音。

沒有人聽過引力波的聲音,也沒有任何儀器留下清楚無誤的記錄。雖然引力波以光速傳播,但是從碰撞點傳播到地球可能需要10 億年的時間。在到達地球之前,黑洞碰撞發出的聲音已經非常微弱了,以至於用語言根本無法形容,如此微弱的聲音我們肯定難以察覺。在引力波抵達地球時,空間的鳴響會引起距離的相對變化,在相當於三個地球並排的跨度上位移一個原子核的寬度。

半個世紀之前,一股記錄天空中各種聲音的潮流悄然興起。LIGO(激光幹涉引力波天文台)是美國國家科學基金會(NSF,為基礎性科學研究提供支持的美國聯邦政府獨立機構)迄今為止投入*多的項目,包括兩台探測器,分別位於華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓,各占地4 平方公裏。LIGO的綜合成本超過10 億美元,參與合作的全球科學家和工程師有數百人之多,是所在專業領域幾十年來科技創新工作的一個標誌性成果。在過去幾年裏,為了提升探測能力,這兩台機器都處於脫機狀態。一名實驗人員告訴我,機器的所有部件都被更換了,除了那個空空如也的管道(真空管)。與此同時,世界各地的科研團隊都在進行緊張的計算,希望可以預測宇宙*喧鬧的狀態何時到來。

理論學家則利用這段時間設計數據算法,建立數據庫,並想盡辦法充分利用這些工具。為了“在相當於地球周長1 000 億倍的距離範圍內測量出比人的頭發的直徑還要小的變化”,許多科研人員全身心地投入其中。

如果探測到引力波,人們有望在隨後幾年裏取得豐碩的成果,因此位於地球上的天文台渴望記錄天文巨變從不同方向、不同距離傳到地球上的聲音。死星發生碰撞,古老的恒星發生爆炸,還有曾經發生的宇宙大爆炸,所有這些高衝擊強度的混亂狀況都有可能引起時空振蕩。從伽利略用一架簡陋的望遠鏡觀察太陽開始,人類把400 年來拍攝的一係列靜止的天空照片,匯編成一部講述宇宙曆史的無聲電影。在這些天文台投入使用期間,科學家們將為這部電影配上一首不是很悅耳卻非常熱鬧的主題曲。

在這個嚐試測量時空形態微弱變化的具有裏程碑意義的實驗中,我身兼數職:首先是作為一名科研人員,希望為一個龐大的科學領域做出自己的貢獻;其次是作為一名初學者,希望深入了解幹涉儀;*後是作為一名作者,用手中的筆記錄人類在黑洞研究活動中取得的重大進展。隨著全球範圍內爭相建造引力波天文台的熱度逐漸消減,這個領域即將有重大發現的前景牢牢地吸引了人們的注意力。不過,仍然有人強烈懷疑它*終能否取得成功。

盡管在開始的時候,LIGO項目麵臨諸多困難:爭議不斷,*科學家表示反對,團隊內部鬥爭十分激烈,技術上也一籌莫展。但是,LIGO項目沒有被擊垮,而是擺脫了陰影,不斷變強,走上了發展的道路。50 年前,使用一個無比龐大的機器去捕捉極其微弱的聲音,還僅僅是人們的一個遙遠的夢想,而現在已經萬事俱備,隻欠東風了。在20 世紀60 年代,這個靈光乍現而來的思想實驗仿佛一首令人莞爾的俳句詩,而現在它已經變成由金屬和玻璃製成的實物。2015 年秋,在愛因斯坦提出引力波預言的100 周年之際,改進後的LIGO探測器開始記錄太空傳來的聲音。在一兩年(也有可能是三年)之內,這些機器就會達到*靈敏的狀態。

上一代的機器證明這個概念是可行的,但成功卻不是唾手可得的,因為大自然並不總是按人類的意願行事。這些高精尖的機器可以自動鎖定目標,也可以由人來完成調整、修正、校準等操作。如今,這些機器靜靜地等待著捕捉某個非同尋常的信號,科學家們也摒除疑念,堅持完成*後的工作。

本書既是一部引力波編年史(是宇宙曆史的有聲記錄,也是為那部無聲電影譜寫的主題曲),又是獻給那些矢誌不渝、堅持不懈的實驗人員,以及愚公移山式科學精神的一首讚歌。

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    • 若雨秦時 若雨秦時 9

      謝謝