不愿在宇宙面前保持无知,是人类在时空中的至高尊严。

文/脑极体

大家好,给大家介绍一下,这是引力波领域一年多取得的微小成绩:

5次捕获引力波信号、1次获得诺贝尔奖、牵动数十个国家开展相关计划、调集1000多个机构投入研究,以及永远不可逆地改写了人类历史。

去年2月公布LIGO成功捕捉引力波的时候,其实就已经预定了诺贝尔物理奖。问题只是去年还是今年颁奖而已。连以慎重著称的诺尔贝,都必须最快速度给引力波颁奖,也从侧面证明了这件事的意义。

就在刚刚过去的10月16号,引力波探索又一次搞了个大。在LIGO的牵头下,这次全世界70多架天文望远镜,从各个角度观察到了两颗中子星合并发出的引力波。其中就包括中国的南极巡天望远镜和中国第一颗空间X射线天文卫星慧眼望远镜。

大多数人更愿意为“第一次”鼓掌。这次全球天文界共同搞出的“大”虽然是人类第5次捕捉引力波,但价值依旧非凡。这里我们用几个问答来总结一下它的意义,希望能够帮助大家在不必弄懂复杂物理与天文学理论的情况下,尽可能了解发现引力波之路的真实脚步。

毕竟在前往广袤未知的航程中,每一点萤火都难能可贵。

什么是引力波?

去年到现在,介绍引力波的文章已经不胜枚举,但为了文章的整体性,咱们还是先来了解一下大名鼎鼎的引力波。

根据爱因斯坦的广义相对论,物质会在时空中产生影响。最出名的那个例子就是,你家楼上的时间会过的比你家的时间快。这是因为地球本身的影响了时空曲率,越靠近地球受到它的影响就越大,时间就会流失的慢一点——当然,这个一点是绝对没可能被人类感觉到的。

地球对时空施加的这种影响,就是地球的引力波——也就是所谓时空的涟漪。

(广义相对论认为:时空就像一张薄膜,而物质改变了时空的形状)(广义相对论认为:时空就像一张薄膜,而物质改变了时空的形状)

在100年前,这只是爱因斯坦的一个假设。因为引力波实在太小了,根本无从验证它是否真的存在。我记得很清楚,小时候读介绍广义相对论的科普读物,都是言之凿凿地认为引力波只是设想。虽然有很多实验尝试验证它,但距离真正的实验结果出现遥遥无期。

黄粱一梦,一转眼不可能变为了现实。

最终人类验证引力波的方案,是借助宇宙中巨型的碰撞。毕竟地球太小了,所发出的引力波微不足道。而且就算够大,也不能把地球炸了做次实验吧。所以比太阳大几十倍的碰撞,以及这次发现的中子星合并,成为捕捉引力波的途径。

即使如此,这些剧变产生的引力波也只会经历上万光年之后,在地球停留短短的一秒。那么问题来了,人类怎么捕捉它呢?

LIGO如何捕捉引力波?

今年获得诺贝尔物理学奖的三位科学家,贡献在于从不同方面帮助建成了捕捉引力波的装置LIGO。

相比于“观测”,确实“捕捉”一词能够更准确的形容LIGO的工作。

所谓LIGO,全称是“激光干涉引力波天文台”,这个名字也阐明了这个跨时代发明的工作原理。简单来说,LIGO是应用光学中的干涉现象,通过发射出多次反射的大功率激光,一旦环境变化,激光的相位会相应变化,就产生了记录波频的干涉条纹。

每台LIGO,都是由两条4公里长的手臂组成的L型仪器。引力波经过时,时空产生微小的晃动,两条臂的结构就会产生变化,从而反映在激光束上。改进后的LIGO,可以测量万分之一个质子直径尺度上的变化,堪称人类精度最高的仪器之一。并且其系统还在持续升级,预计会在2021年达到设计中的巅峰测量精度。

(荒野上壮观的LIGO)(荒野上壮观的LIGO)

美国目前共有两台LIGO投入工作,分别位于美国的西北和东南方,相距3000公里。假如两台设备共同记录下了同样的波频,才能确信是引力波无误。人类历史上发生过好几次测量到虚假引力波的乌龙事件,而LIGO能够一举说服学术界,也是因为两台超大型设备共同验证的结果。

(人类首次捕捉到的引力波信号)(人类首次捕捉到的引力波信号)

LIGO的成功绝非一日之功。在70年代,麻省理工和加州理工学院等几个科研机构就开始纷纷开始了探索引力波项目。但各自为战造成了资源不集中,无法建成大型精密仪器。1984年,两所院校决定将资源和人才结合到一起,共同打造LIGO项目。1990年,美国国家基金会批准了LIGO计划,此后经历数次计划调整,直到1999年LIGO才得以建成。

2000年到2010年,LIGO收集了10年数据,结果却依旧没有证明引力波的存在。随后又开始了5年的大规模检修和升级。终于,升级版的LIGO一战成功,在爱因斯坦提出广义相对论100年整的时候证明了这条时空深层的法则。

从立项到成功,LIGO经历了30年,只为了证明一个很可能不存在的假说。科学的代价和勇敢,在两台无比精密复杂的仪器中得到了最好展示。

此次发现中子星合并引力波意义何在?

由于引力波是一种不生不灭的能量震动,所以宇宙各个方向的剧变送来的引力波应该是源源不断的,一旦人类了捕获这条信息的知识,后续用其指导天文学和实验物理学的多元探索也就成为了可能。

而这也是这次中子星合并引力波被发现带来的最大启示。

此前LIGO捕捉的引力波,都是合并过程中产生。但是合并并不会抛出元素以及产生电磁现象。这就让人类无法判断引力波与元素生成、电磁效应之间的关系。

而这次捕捉到中子星合并产生的引力波,就填补了这一领域的空白。中子星合并会产生复杂的电磁辐射,还很可能关系着金、银等超铁元素的产生原理,这对于人类认识宇宙与元素都有着重要的意义。

抛开学术上的价值,这次发现更重要的意义在于让LIGO系统和欧洲版的引力波探测系统Virgo,与全球范围内的地面天文望远镜、空间天文望远镜产生了协作。因为中子星合并不仅能够释放引力波,更可能产生各种光子、红外线、X射线条件下的可观测现象。所以LIGO在捕获引力波后,极短速度通知了1000多家天文机构,调动70多台大型天文望远镜对1.2万光年外进行了观测。堪称天文界的全球狂欢。

这次观测成功,意味着以后这种模式很可能成为常态。发现引力波,表示一类的巨型在发生变化,跟随引力波的来源,人类可以集中力量观察这些宇宙中的庞然大物,揭开关于时空的谜题。

换句话说,引力波观测将开始同天文观测体系融为一体,进化出听觉视觉完备的整体感知能力。

下一步要做什么?

这次对中子星合并引力波的捕获,证明了引力波探测装置不仅可以观察变化,也可以适用于其他。这或许将成为一个开端,标志着用引力波探测多种变化的尝试陆续启动。

接下来最可能在短期内实现的,是用同样的技术手段观察到与中子星合并产生的引力波。这意味着人类将开始探索吞噬星体时会产生怎样的能量变化,能量和元素产生怎样的改变。甚至可能启动关于“暗物质”的观察和研究。

而接下来引力波的探索有两个主要方向:一是去探索更加微弱的引力波,比如白矮星等天地合并产生的低频引力波。这对于人类研究恒星和星系意义非凡,但目前的精度技术还无法这种需求。

另一个更伟大的目标,是尝试收集宇宙大爆炸产生的原始引力波。因为引力波不死不灭,所以原始引力波很可能还孤独的回荡在宇宙中。找到他们,或许标志着人类开始认识宇宙的起源与物质的创生,更有可能开始探测光产生之前的原始宇宙。当然,这要求的技术难度更大,不知何时才能实现。但话说回来,人类总是善于给自己惊喜。

在研究方向之外,另一个可预见的未来是研究引力波的各种计划将陆续展开。目前欧洲、日(J)本(P)、印度都在修建新的类似LIGO的引力波观测设备。而中国也开启了“闪电计划”等引力波观测与研究项目。

在耀眼的成绩和国家间的竞争性投入下,引力波的黄金时代已经必然开启。这里有一个时间节点十分值得期待。那就是2020年到2021年间,LIGO的捕捉精度将达到设计中的巅峰值,大量各国的空间天文望远镜、高能区探测卫星,都将配合LIGO升级的时间点进行筹备。届时,人类对宇宙的认知或许会获得一次小飞跃。

很可能一段时间之后,人类的目标就不再仅仅是感知引力波,而是进一步时空涟漪背后的

探索引力波对普通人有价值吗?

最后,或许我们还是无法免俗,要来讨论一下探索引力波的所谓“商业价值”。

毕竟时空这种事对于普通人太远了,更多时候一个人不会考虑发现电磁波的意义与学术价值,而是会考虑手机信号怎么样。

虽然引力波本身太过前瞻,难以在短时间内看到应用价值。但在探索引力波中科学界做的不懈努力,其实是很可能转化为民用的。

比如LIGO在30年的建设中,为了保证极致的精度、极强的抗干扰能力、去噪能力,完成了大量技术突破。要知道,地壳运动的震颤、数千公里外海浪拍打岩石的声音、温度的略微上升,都可能对LIGO的探测造成影响。在精准这件事上,引力波探索不断挑战着人类的极限。

而LIGO中的很多精度技术,未来很可能转化到半导体行业,成为芯片等高精度制造行业进一步进化的基石。比如超细的晶体管如何抗干扰等等,都已经在探索引力波的过程中被人类征服。

此外,引力波的精度捕捉技术也可以转化为民用和军用的精准定位技术,成为无人化机械、无人驾驶,以及极端条件地形感知的技术突破。

引力波探索中,还衍生了人类对激光和呈像的全新理解。很多技术可以应用到生物医疗、工业生产和3D打印等领域。

在另一个维度上,由于引力波通过地球是瞬时性的,如何在短时间内调动全球的天文设备也是科学界的重要课题。随着这次观测的成功,天文级的全球传感能力和协同工作系统将会进一步完善,这也是民用领域急需的技术。

对于人类而言,探索未来和现在总是相辅相成的。探索引力波,或许不是一件完全离我们很遥远的事。

引力波本身对普通人有价值吗?

在讨论引力波时,很多人都会提到电磁波的例子。当人类意识到电磁波存在时,并没有感觉它有什么用,也无法看见未来微波炉、手机、航空、计算中必须要用到它,更不会知道电磁波变成了未来人类每天都无法离开的存在。

而引力波的发现,很可能将重复这个故事。

当然了,可以明确的是,引力波绝不是电磁波同一个等级的发现。因为引力波展示的是关于空间、时间和物质的。当人类真正应用它的时候,很难想象会发生什么….

跨维度?时间旅行?宇宙通讯?随意改变物质?谁知道呢,未来之所以魅惑,就在于它的未知永远大于已知无数个量级。

引力波本身对普通人肯定是有价值的,这毫无疑问。亲们要好好锻炼身体等到那一天哦。

里尔克的一首诗,非常适合放在这篇文章的结尾:

你是未来,是漫天朝霞

高悬在永恒的旷野。

你是时间之夜的鸡鸣,

是朝露、晨祷和少女,

是异乡男子、母亲与死亡。

你是自身变化着的形体,

永在宿命中寂寞

没有喝彩,没有哀叹,

没被记写如一片荒林。

你是万物完美的化身,

隐瞒着他们的本质的终极话语,

你始终别样地显现出别样:

对于船你是岸,对于岸你是船。

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不过,目前还无法确定,这样一个设想中的物质层是否的确存