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他“挽救”了爱因斯坦的引力波

时间:2017-10-27 12:52:03 点击:

  核心提示:科林碎玉  1687年,牛顿出版了《自然哲学的数学原理》一书,建立起经典力学大厦的基础,人类第一次把天上的天体的运动规律和地上的物体运动规律统一起来。这个伟大的力学体系至少有以下两个默认的规则:物体之...
科林碎玉科林碎玉

  1687年,牛顿出版了《自然哲学的数学原理》一书,建立起经典力学大厦的基础,人类第一次把天上的天体的运动规律和地上的物体运动规律统一起来。这个伟大的力学体系至少有以下两个默认的规则:物体之间力的方向在二者连线上,力的速度可以瞬时传播,或者说:力传播的速度无限大。例如,在地球上突然产生一个物体,那么它刹那间就感受到了太阳对它的引力。但在1805年,经典力学大厦的建设者之一拉普拉斯却提出:假如力的传播速度有限,那地球与太阳之间的相互作用力的方向不在二者连线上,且地球绕太阳公转的过程中,会损失能量。以现在的方式来解读,损失的能量变成了引力波。

  此后,引力波开始在科学史文献上留下身影。1893年,赫维赛德写了篇文章,将引力和电磁波进行类比,他认为,既然二者大小都与距离的平方成反比,那有电磁波,也可能有引力波。1905年,相对论先驱、青年爱因斯坦的偶像庞加莱,从类似于相对论的原理出发,提出引力波的速度等于光在真空中的速度(以下简称光速)。同在这一年,爱因斯坦发表了一篇重要论文,建立了相对论,将时间和空间统一为“时空”。1915年,爱因斯坦将引力纳入相对论中,建立了广义相对论。根据这个理论,引力的本质是物质引起的时空弯曲,物质质量越大,附近时空的弯曲程度(曲率)越大。“物体教时空如何弯曲,时空教物体如何运动。”

  1916年,爱因斯坦首次用他建立的广义相对论研究了时空弯曲率的变化与传播。他发现,物体的运动一旦满足一定条件,就会使周围的时空的弯曲率发生变化,这种变化会像水波一样传播出去,引起更远处时空的弯曲率跟着变化,就像推倒了多米诺骨牌。时空弯曲率的这个波动就是“时空曲率波”,因为时空的弯曲率体现为引力,所以也就是“引力波”。尽管爱因斯坦1916年的计算有些错误,但这总体上并不影响论文的分量。

  然而科学的探索从来都不是一马平川,爱因斯坦的引力波研究也曾经历过山车般的“惊天大逆转”。1936年,爱因斯坦和他的助手罗森写了篇论文,认为之前的计算都有错,引力波其实不存在,将论文投到美国杂志《物理评论》,此前爱因斯坦已经在这个杂志发表过三篇论文。令爱因斯坦没想到的是,这篇论文被送到一个专家手里审阅了。这个匿名专家写了很长的审稿意见,认为爱因斯坦的论文结论不对,需要改正。

  审稿意见寄到爱因斯坦手里后,此前从未被人审过稿的爱因斯坦勃然大怒,他认为审稿人的意见大错特错,大大冒犯了他。于是他写了封措辞严厉的信,将稿子撤回,转投欧洲一家杂志,并很快被接受了。可就在论文已经进入校样、排版的阶段时,爱因斯坦的新助手英菲尔德把普林斯顿大学的罗伯特逊对那篇论文的详细意见转告给爱因斯坦,当时也在普林斯顿大学任职的爱因斯坦才意识到:自己的论文错了,引力波是存在的。于是爱因斯坦紧急叫停出版,按照同事罗伯特逊的建议修改了论文,然后以“引力波存在”为结论出版。他特意在论文里感谢“同事罗伯特逊教授的友好帮助”,使其得以改正错误。

  物理学界在上世纪五六十年代之后已经普遍相信有引力波,但认为引力波普遍非常微弱,难以被直接探测。韦伯曾宣称自己用共振棒探测到了引力波,但因为其他人无法重复出他的结果而未被承认。还好,直接方法虽然暂时不行,但间接方法还是取得了重大成果:1974年,赫尔斯和泰勒从两颗脉冲星的周期变化中,找到了引力波存在的间接证据。二人也因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

  而就在上世纪七八十年代,魏斯、索恩和德雷弗开始构思采用激光干涉的方法探测空间扭曲程度、直接探测引力波的方案。这就是“激光干涉引力波天文台”,英文缩写为LIGO。LIGO有两个一模一样的仪器,被放在距离3000千米的地方。

  经过多年的研制和升级,2015年9月14日,LIGO首次直接探测引力波,宣示了引力波时代的到来。魏斯、索恩和德雷弗三人也因此斩获了2016年多项大奖。2017年3月,德雷弗去世,10月3日,魏斯、索恩和巴里什获得了物理诺奖。2017年8月17日,LIGO探测到一对中子星碰撞产生的引力波,伴随它的伽马射线暴、千新星、X射线辐射与射电辐射都被相继探测到,标志着人类首次同时观测到同一个天体物理现象发出的引力波与电磁波。相关结果于10月16日正式公布后,又一次轰动了世界。

  在经历一百多年的反反复复之后,引力波终于成为天文学最重要的几个核心之一。当年研究引力波的几个巨人早已作古。爱因斯坦虽然听从罗伯特逊的意见,改正了自己的错误,但此后不再向《物理评论》投稿。2005年3月,《物理评论》的主编与同事们找到了当年记录爱因斯坦论文审稿情况的单子,发现审稿人一栏里赫然写着:“罗伯特逊,7月6日。”

作者:佚名 来源:网络
 

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