約瑟夫·韋伯和他設計的共振棒探測器。
10月16日22時, 鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)和處女座引力波探測器合作組織聯合召開發佈會,
不斷被質疑的引力波
經歷了一個月的理論修正後, 在1915年11月25日, 愛因斯坦向普魯士科學院報告了他的廣義相對論的最終形式, 其中新的公式可以用來很好地解釋水星近日點進動和光線的引力偏折, 自此廣義相對論最終被建立了起來。 在之後的那一年裡, 處在興奮中的愛因斯坦再接再厲, 在引入線性、低速等近似之後, 從廣義相對論的場方程推導出了由源的品質四極矩隨時間的變化引起的引力輻射項。 並且, 這種引力輻射攜帶能量。
這種後來被稱為引力波的引力輻射項被提出後,
1936年6月1日, 美國物理學會《物理評論》編輯部收到一封投稿。 投稿是愛因斯坦寫的關於引力波的論文。 文章中, 愛因斯坦認為所謂引力波只是一種數學形式而已, 這種波會因引力坍縮而不復存在。 他推翻了自己1916年的結論, 認為引力波並不是廣義相對論的預言,
雖然此時的愛因斯坦已經名滿天下, 但是秉著嚴謹的科學精神, 《物理評論》認為對於絕對權威愛因斯坦的稿件也要送審。 一個多月後, 審稿人霍華德·羅伯遜將審稿意見返回, 他認為愛因斯坦的稿件有嚴重問題, 必須大量修改。
由於審稿人是匿名的, 愛因斯坦並不知道審稿人是誰。 由於此次事件, 愛因斯坦被激怒了, 導致愛因斯坦和《物理評論》結下樑子, 從此之後再也沒有給該期刊投過稿。 因為愛因斯坦的名氣, 後來這篇文章還是一字不改地在《本佛蘭克林學院學報》上發表。
然而這戲劇性的事件並沒有結束, 在之後的兩年中, 愛因斯坦漸漸發現自己之前的文章裡面還是有問題的。
兩年後的1957年, 在北加州的教堂山舉行了一場以廣義相對論為主題的會議。 在會議後期, 物理學家理查·費曼提出了一個“黏珠”思想實驗。 費曼的論證是這樣的:有兩顆珠子穿在一根柱子上, 並且可以自由移動, 垂直於柱子方向如果有引力波經過, 將會產生相對於柱子中心的潮汐力。 珠子在潮汐力的作用下會相對柱子運動,
“黏珠”思想實驗提出之後, 物理界終於普遍達成共識, 認為引力波確實是物理實在。 那麼接下來的問題是, 我們如何才能找到它呢?
實驗嘗試和間接證據
引力波雖然攜帶物理能量, 但是它的物理效應真的微乎其微。 儘管如此, 自教堂山會議之後的60年裡, 有許多物理學家和天文學家為證明引力波的存在做出了大量努力。 其中最著名的要數引力波存在的間接實驗證據——脈衝雙星 PSRB1913+16。 1974年, 美國物理學家約瑟夫·泰勒和羅素·赫爾斯利用在波多黎各的射電望遠鏡, 發現了由兩顆品質大致與太陽相當的中子星組成的相互旋繞的雙星系統。非常幸運,由於兩顆中子星的其中一顆是脈衝星,利用它的精確的週期性射電脈衝信號,人們可以無比精准地知道兩顆緻密星體在繞其質心公轉時它們軌道的長半軸以及週期。根據廣義相對論,當兩個緻密星體近距離彼此繞旋時,該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量,所以系統總能量會越來越少,軌道半徑和週期也會變短。
泰勒和他的同行在之後的幾十年時間裡對PSRB1913+16做了持續觀測,觀測結果令人無比振奮!雙星系統無比精確地按廣義相對論所預測的那樣因為引力輻射而慢慢靠近:週期每年減少76.5微秒,半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年後合併。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據,是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。
在實驗方面,第一個對直接探測引力波做偉大嘗試的人是美國馬里蘭大學的物理學家約瑟夫·韋伯。教堂山會議之後的兩三年裡,韋伯認為通過實驗手段探測引力波並不是沒有可能,他把自己的想法付諸於行動,全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終,韋伯選擇了一根長2米、直徑1米、重約1噸的圓柱形鋁棒,其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器,被業內稱為共振棒探測器。
雖然共振棒探測器沒能最後找到引力波,但是韋伯開創了引力波實驗科學的先河。
重大發現到來時
後來的LIGO的主要創始人美國物理學家索恩,在1976年的時候對共振棒探測器還抱有信心,他和一些物理學家深信引力波的探測可能會變革我們對宇宙的認識。在1976年11月的一個晚上,索恩獨自一人漫步在美國小城帕薩迪納的街頭,內心充滿了熱情和希望。忽然一個念頭閃過他的心頭:應該建議加州理工學院建設一個引力波探測計畫。之後的幾個月裡,經過一系列風險評估和成果分析,他成功說服了加州理工的物理學和天文學系組建一個團隊來建造引力波探測器。但是學校領導要求索恩必須把這個專案做大做強,並且找到一位非常優秀的實驗物理學家來擔任這個項目的領導。經多方推薦,最後格拉斯哥大學的羅奈爾得·德雷維爾成了索恩的合作夥伴。
到了20世紀90年代,世界各地的其他一些大型鐳射干涉儀引力波探測器也開始籌建,引力波探測黃金時代就此拉開了序幕。只是這些探測器在2002~2011年期間共同進行觀測,但並未探測到引力波。
直到2016年2月11日,LIGO科學合作組織(LSC)向全世界宣佈:探測到置信度高達5.1倍標準差的引力波事件。探測引力波的消息發佈後,仿佛一夜之間,“引力波”成為了世界各地人們談論的熱點話題。
愛因斯坦的廣義相對論自從100年前提出以來,歷經了重重考驗。作為廣義相對論預言的引力波,在如幽靈般虛無縹緲了一個世紀後,終於被我們發現!(來源|百科知識》 作者|明鏡)
發現了由兩顆品質大致與太陽相當的中子星組成的相互旋繞的雙星系統。非常幸運,由於兩顆中子星的其中一顆是脈衝星,利用它的精確的週期性射電脈衝信號,人們可以無比精准地知道兩顆緻密星體在繞其質心公轉時它們軌道的長半軸以及週期。根據廣義相對論,當兩個緻密星體近距離彼此繞旋時,該體系會產生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量,所以系統總能量會越來越少,軌道半徑和週期也會變短。泰勒和他的同行在之後的幾十年時間裡對PSRB1913+16做了持續觀測,觀測結果令人無比振奮!雙星系統無比精確地按廣義相對論所預測的那樣因為引力輻射而慢慢靠近:週期每年減少76.5微秒,半長軸每年縮短3.5米。廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年後合併。這是人類第一次得到引力波存在的間接證據,是對廣義相對論引力理論的一項重要驗證。
在實驗方面,第一個對直接探測引力波做偉大嘗試的人是美國馬里蘭大學的物理學家約瑟夫·韋伯。教堂山會議之後的兩三年裡,韋伯認為通過實驗手段探測引力波並不是沒有可能,他把自己的想法付諸於行動,全身心投入在引力波探測方案的設計中。最終,韋伯選擇了一根長2米、直徑1米、重約1噸的圓柱形鋁棒,其側面指向引力波到來的方向。該類型探測器,被業內稱為共振棒探測器。
雖然共振棒探測器沒能最後找到引力波,但是韋伯開創了引力波實驗科學的先河。
重大發現到來時
後來的LIGO的主要創始人美國物理學家索恩,在1976年的時候對共振棒探測器還抱有信心,他和一些物理學家深信引力波的探測可能會變革我們對宇宙的認識。在1976年11月的一個晚上,索恩獨自一人漫步在美國小城帕薩迪納的街頭,內心充滿了熱情和希望。忽然一個念頭閃過他的心頭:應該建議加州理工學院建設一個引力波探測計畫。之後的幾個月裡,經過一系列風險評估和成果分析,他成功說服了加州理工的物理學和天文學系組建一個團隊來建造引力波探測器。但是學校領導要求索恩必須把這個專案做大做強,並且找到一位非常優秀的實驗物理學家來擔任這個項目的領導。經多方推薦,最後格拉斯哥大學的羅奈爾得·德雷維爾成了索恩的合作夥伴。
到了20世紀90年代,世界各地的其他一些大型鐳射干涉儀引力波探測器也開始籌建,引力波探測黃金時代就此拉開了序幕。只是這些探測器在2002~2011年期間共同進行觀測,但並未探測到引力波。
直到2016年2月11日,LIGO科學合作組織(LSC)向全世界宣佈:探測到置信度高達5.1倍標準差的引力波事件。探測引力波的消息發佈後,仿佛一夜之間,“引力波”成為了世界各地人們談論的熱點話題。
愛因斯坦的廣義相對論自從100年前提出以來,歷經了重重考驗。作為廣義相對論預言的引力波,在如幽靈般虛無縹緲了一個世紀後,終於被我們發現!(來源|百科知識》 作者|明鏡)