引力波的第一次网络刷屏,源自郭英森和方舟子上《非你莫属》中的一期节目,人缘极差的方舟子打断民科精英郭英森的狂想。

自打被某自媒体以“引力波”被发现后,推波助澜讨伐的一个闹剧!闹剧终归是闹剧,一笑而过就行;但让大家突然增加了一个概念——引力波,倒是真实的。

我们今天就来把这个概念转化为一个知识点。

爱因斯坦的观点

爱因斯坦按照广义相对论洛伦兹不变性的推导,用“相对论”的语言进行表述,引力波的概念是: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。

简单的说,引力并不是万有、瞬时、绝对的,引力也是以光速进行传播。

同学们听到这里,就觉得,这和电磁场几乎一样嘛。先别急,引力波还真的和电磁波不是一路人呐。

引力波和电磁波相对比,神奇的事情就发生了。电磁波极易被干扰,碰到障碍就能反射,而宇宙短波射线,碰到大气层就直接被屏蔽了。而引力可不一样,亘古不变,不可屏蔽,不会转向,千万年来一直以光速向外传播,就连光遇到也得认怂的黑洞,也无法对引力产生丝毫影响,简直像异次元般的存在!

引力波的间接测量

如果爱因斯坦只是这样说了就算,那么方舟子也可以成牛顿,也不用到处找茬打架了。物理学家的理论必然有严密的数学架构和模型,引力波的预言当然也不例外。

电磁辐射消耗能量,物体向外发射电磁波,因为遵循能量守恒原理,必然导致自身能量不断下降。同理,引力对外传播,类似于“引力辐射”,我们可以检验物体能量的减少来间接观测引力波。

原理很简单,只要找两颗质量不变的双星系统,观测它们之间轨道变化就行了,当然必须是中子双星系统,否则质量太小,人类无法检验数据。理想很丰满,现实很骨感,茫茫宇宙,这就是大海捞针嘛。

美国不愧是人类科技之光,1974年阿雷西博射电望远镜所在地,两名普林斯顿大学天文学家泰勒(J.Taylor)和赫尔斯(R. Hulse)首次发现了一对脉冲双星系统,天文学家对此给予厚望,编号PSR1913+16。人海中只是望了你一眼,就已经足够!一通猛如虎的操作,根据脉冲星频率精确的测量,计算得到此双星系统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!

为此,泰勒和赫尔斯获得了1993年度诺贝尔物理学奖。一种天体的发现能获2次诺贝尔奖,绝无仅有。

孤证不立,2004年,澳大利亚帕克斯(Parkes) 64米口径天文望远镜又发现了一对互相绕行的脉冲星,命名为PSRJ0737-3039A/B,美国GBT望远镜(Green Bank Telescope,100米口径)对双脉冲星进行了长达三年的精确测量,观测结果与广义相对论引力波预言误差在0.05%以内,这也是目前为止对广义相对论最精确的实验检验。

引力波直接测量

挑战了间接测量,同学们当然顺理成章的想尝试一下直接测量引力波。其原理也很简单,放两块板,如果它们间距莫名其妙发生了变化,我们就认为探测到了引力波。跟在宇宙中大海捞针找脉冲双星,这难道不是顺理成章的事情吗?

事实上,这可一点都不顺利成章。因为爱因斯坦本人,都觉得引力波可能无法直接测量。因为不但中子双星系统能量等级差太远,就算是两个黑洞碰撞,发出的引力波到达地球,造成的扰动大约也只有比原子核运动还要小数千倍的细微变化而已。这需要何等的精确测量手段和技术啊!

美国再次扮演人类科技之光,你不服都不行!美国投资5.6亿美刀,前后花费16年,两台相距3000km的LIGO,终于等到了宇宙中最美妙的0.25秒。得到了如此激动人心的一张图!——宇宙引力的琴弦在人类面前,跳出了这段玄妙的舞蹈。

三位美国的专家雷纳·韦斯、基普·索恩以及巴里·巴里什,无可厚非的荣膺2017年诺贝尔物理学奖的殊荣,以表彰 “他们对激光干涉引力波天文台(LIGO)和观测引力波所做出的决定性贡献”。

结语

同学们这下明白什么是引力波了吧,无数科学家花费了毕生的心血,终于从理论到实证,证明了它的存在。

你要问“引力波”能有啥用处?猫先生只能摇头,就好比在1870年,你问我,“电”这个玩意有啥用?我又不是穿越者,我哪知道现在我们无时无刻都离不开“电”啦!

当人类进入宇宙文明,再回望爱因斯坦和“引力波”,一定将心存莫大的感激,我坚信这一点。

我是猫先生,感谢阅读。

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