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蔡方华:以梦为马 - 引力波打开了曾被锁死的世界
蔡方华:以梦为马 - 引力波打开了曾被锁死的世界
2016/2/16 1:04:04 | 浏览:1325 | 评论:0

蔡方华:以梦为马 - 引力波打开了曾被锁死的世界

发现引力波,意味着人类能够更深刻地理解自己的命运,这就是文明的进步。

  大年初五那天,我供职的北京青年报出版了它的第10000期报纸。在纸质媒体处境低迷的时期,这个带有节日意味的出版日期并没有引起像样的关注。就连我这样的内部人,在看到报头下那一长串数字时,心情也是复杂的。一万期报纸,既记载了一代代北青人的光荣与梦想,又承载了媒体人的辛劳与失落。在万物皆媒的时代,纸,正在慢慢变成一种奢侈而高贵的介质。在纸上究竟应该印刷什么,似乎也成了一个难解的哲学命题。

  大年初五这个本来应该迎财神的日子,一个与财神八竿子打不着的话题却风靡了朋友圈,美国一个科研机构宣称,他们探测到了引力波的存在,而且是两个黑洞在融合过程中所激起的引力波。尽管绝大多数国人此前对引力波一无所知,仍无法阻挡这种抽象的涟漪从科技领域向社交领域扩散。这是一种很独特的文化现象。无知不仅没有成为社交传播的障碍,反而成了一种放大器。人们用狂欢的态度为一项科技发现加冕,一方面搬运着陌生的知识,另一方面又传递着兴奋感,仿佛在共享某种神秘的荣耀

  作为资深文科生,我对理论物理最早的兴趣来源于《时间简史》。在读完那本有史以来最畅销、最激动人心的科普著作之后,我又一鼓作气读完了第一推动丛书中的大部分书籍。诚实地说,因为没有数学和物理学的基础知识,我基本上是用读小说乃至读诗的方式去阅读它们的。有没有读懂并不重要,重要的是,它们极大地开阔了我的眼界,让我隐约窥见了宇宙的壮丽与秩序,感受到了大自然难以理解甚至难于想象的一面,真正体会到了什么才是精骛八极、心游万仞,怎样才是上穷碧落下黄泉。在我看来,再也没有比相对论和量子物理更富禅意的科学了,也没有哪个诗人在想象力方面能和爱因斯坦、薛定谔、霍金等人相比。

  在科幻小说《三体》中,三体人用光子从粒子层面锁死了地球人的基础科技,导致地球文明再也不能进步。如果把这看作一个寓言,就会发现,大自然类似“锁死”的情形无所不在。黑洞就是一个典型的锁死结构,观察者无法知道黑洞“视界”之内的情况,在黑洞里面,已知的物理定律甚至都是失效的。引力在很长时间里同样也处于“锁死”的状态,尽管从牛顿开始就知道引力的存在,尽管广义相对论揭示了引力的真相,但爱因斯坦本人都曾认为引力波是不可能被探测到的。但是,梦想的力量是那样强大,经过半个多世纪的努力,科学家们在遭遇多次幻灭之后,终于得以与引力波这位低调的女神直接晤面,并从她那里获知了宇宙的大量奥秘。从引力波里,人类了解到13亿年前宇宙历史的一个微小片段,知道曾经有两个黑洞相互缠绕并最终融合在一起。设想一下,如果科学家的观测能力进一步提高,会不会就能探测到宇宙大爆炸时的原初引力波呢?宇宙的起源会不会像一幅油画那样,坦然地展开在人类面前?倘若果真如此,科学、哲学、神学和人类生活该发生怎样深刻的改变?

  引力波有什么用?它连一小片面包也烤不熟。从人类已有的科技水平看,思考引力波的“用途”似乎都是一件困难的事。它能开启时间旅行吗?好像不行。它能推动大统一理论的进展吗?好像也不行。但引力波的发现,确实带来了一种全新的看待宇宙、看待人类自我的方式,这种改变不是一种简单的进步,它是革命性的。一扇窗户打开了,曾被锁死的世界再也不会关上,人类所居住的房间也拥有了绝然不同的风景。人类得以倾听永恒的咏唱,人类的精神由此被深深耕耘。至于引力波怎么被运用于人类的物质生活,那已经是非常次要的问题了。

  引力波是一种古老的存在,它的被“发现”,意味着人类能够更深刻地理解自己的命运,这就是文明的进步。这种进步带有双重性。首先它表明,人类拥有了思考存在本质的更强大能力,但更重要的是,人类展现了梦想的神奇力量。正是借助梦想的翅膀,人类得以翱翔于时空的深处,得以捕捉那不可捉摸的事物。和所有的梦相比,这样的梦最为绚丽。

  下一次,当你“看见”群星的时候,你要记住,你已经能够“听见”它的歌唱。天空一无所有,但它有了新的意义。

魏英杰:发现引力波,这是我最爱的人类历史瞬间

蔡方华:以梦为马 - 引力波打开了曾被锁死的世界

LIGO新闻发布会现场,摄影:崔筝

  前阵子最新一部《星球大战》公映,“愿原力与你同在”这句台词又热了起来。虽说原力只是杜撰出来的一种超自然的神秘力量,却足以以假乱真。它就像中国人所说的“气”一样,无所不在,但并不是什么人都可以感受到。

  引力波也是这样,一直都存在于宇宙之间,但人类从提出理论预测到真正捕捉到它,却足足花了一百年时间。北京时间2月11日23时30分,美国国家自然科学基金会携加州理工、麻省理工和LIGO科学合作组织的专家向全世界宣布,美国的LIGO(激光干涉引力波观测站)首次直接探测到了引力波。一百年前爱因斯坦借助广义相对论所作的预测,此时真正得到了验证。

  “我们的征途是星辰大海。”对于人类乃至于地球的历史来讲,百年不过瞬间,而探测到引力波的存在,其价值远远超出了人类为之付出的不懈努力。探测到引力波的真实存在,意味着人类距离认识与揭示宇宙形成之谜又近了一步。自从人类学会思考,抬头仰望星空,“人类从何而来”、“世界是怎么形成的”等问题,一直吸引着人们去探寻答案。人们未必懂得引力波为何物,仍能感受到相关科研的奇妙之处。连日来,这一探测发现引起全球范围无数人的热切关注,就在于它指向了人类的共同谜题。

  相关科研本身,则再次印证了基础科学的重要性。正如美国麻省理工校长就引力波致全校的长信中所言,只有随着基础科学的进步,社会也才能进步。然而不得不说,基础科学研究往往是充满艰难困苦的孤独之旅。相比于冥想、探寻“人类从何而来”这种哲学或科学问题,人类社会更愿意用“有用”或“没用”来评价事物。但过于急切地想把科研创新应用于社会生活,难免出现忽视、排斥基础科学研究的现象。这次LIGO一朝名闻天下,罕为人知的是,这家研究机构已默默工作了二十几年。

  引力波由美国研究机构率先探测发现,对中国同行恐怕是一个不小刺激。这促使人们反思国内科研体制的利弊。报道称,国内重大引力波探测工程“天琴计划”已于2015年7月份正式启动。遗憾的是,该项目还没能获得政府部门的立项。介绍说,完成“天琴计划”大约需要20年时间,投资约150亿元。这么庞大的科研项目,在国内除非获得政府立项,否则难以维持。这说明,国内科研体制仍缺乏必要的灵活性,过度依赖于政府投入。基础科学研究既需要科学家有坐冷板凳的精神,也需要国家科研基金不计功利的支持,二者不可或缺。

  能力越大,责任越大。随着中国经济社会的发展,有必要加大对基础科学研究的投入与支持。这是为了对人类整体作出更多贡献,而不是基于竞争或敌对的思维。耗费巨资去探索宇宙奥秘,也许短期内不见得有多少回报。但只要世界各国携手共进,互补长短,就能共同推动人类文明的进步。

  LIGO探测到引力波,是一项激动人心的科研成果。它属于为此甘于寂寞、汲汲以求的科研人员,终归属于全人类。电影《黑衣人3》里,对人类充满爱心的外星人格里芬这么说:这是我最爱的人类历史瞬间!

刘慈欣谈引力波:未来长期对人类生活无意义

“在相当长一段时间,引力波将停留在基础科学研究的层面,用来扩展人类知识,加深对宇宙的理解。但对人类的现实生活,我不认为有任何意义。”中国科幻作家刘慈欣23日在接受采访时说。

  LIGO(激光干涉引力波观测站)实验组宣布直接观测到引力波信号,成为近期全球热议的话题,这一发现印证了物理学大师爱因斯坦100年前的预言。

  亚洲首位获得雨果奖(世界科幻文学界的诺贝尔奖)的中国科幻作家刘慈欣在2008年出版的《三体》中曾对引力波这样表述道:“罗辑一家远远地就看到了引力波天线,但车行驶了半小时才到它旁边。这时他们才真正感受到它的巨大。天线是一个横放的圆柱体,有一千五百米长,直径五十多米,整体悬浮在距地面两米左右的位置。它的表面也是光洁的镜面,一半映着天空,一半映着华北平原。”

  刘慈欣在小说中把引力波发射装置作为人类和三体星人抗衡的武器。在他的另一篇科幻小说《朝闻道》中,引力波同样成为了在宇宙间传递信息的工具。谈及引力波缘何应用在科幻小说里,刘慈欣说,是因为它可以轻易地穿透物体,且不会发生任何衰变。

  “引力波的证实,是理论物理学中很重要的一个发现,它为人类观测宇宙打开一扇新的窗口。”平日里在社交网络中“潜水”的刘慈欣在得知引力波的发现后,显得平静和理性。刘慈欣认为,这次发现对引力波的研究只是开始,未来人类还有很长的路要走。

  刘慈欣认为,引力波唯一能够进行应用就是它的通信功能,它可以在未来的宇宙航行中进行超远距离的通信,而且不衰减。“但这个前提是要产生出引力波,即使把整个太阳系的质量用来产生引力波,它也很微小。所以我个人认为,引力波在相当长的时间内,都只是人类进行基础理论研究的东西。”刘慈欣说。

  “引力波的发现可以让我们去了解宇宙的过去、现在和未来,同时也能让我们对一些遥远的宇宙事件(黑洞碰撞等)进行更深层次的了解。”刘慈欣在谈到当前引力波的作用时如是说。目前,中国已启动“天琴计划”和“太极计划”两项引力波探测工程,用刘慈欣的话说,“人类对引力波研究,才刚刚开始。”

(胡健)

看待宇宙全新方式:引力波或可解决六大宇宙问题

视频:引力波 - 广义相对论的有力证据

  17世纪末,牛顿发现了万有引力,有质量的物体就有这种引力;20世纪初,爱因斯坦发表广义相对论,提出引力其实是质量引起的时空变形;2012年,欧洲核子研究中心通过大型强子对撞机发现希格斯玻色子,解释了粒子为何会有质量,将希格斯场、质量和时空联系在一起。

  而如今,人类首次探测到了引力波——由两个黑洞撞在一起而产生的时空涟漪,不仅证实了爱因斯坦近百年前对引力波的预测,还有更重要的意义。用斯蒂芬·霍金的话说,引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。

  《自然》杂志刊发文章,讲解了人类借助引力波或可解决的六大宇宙问题。

  黑洞真的存在吗?

  激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到黑洞合并,一个重要的科学意义就是证实了黑洞确实存在,至少是一种完美的圆形物体,由纯真空的、弯曲的时空构成,像广义相对论预测的那样。天文学家已有了大量关于黑洞的证据,但以往的证据都来自对恒星和超热气体的观察,而非来自黑洞本身。

  美国普林斯顿大学广义相对论模拟专家弗朗斯·普雷托里乌斯说:“科学界对黑洞已经非常厌倦了,包括我自己在内,我们认为它是理所当然存在的。但你想一想,这个预测是多么惊人,我们也确实需要惊人的证据。”

  LIGO的信号提供了这一证据——也证实了两个黑洞的合并过程与预测一致。当两个黑洞开始互相靠近时,以引力波的形式辐射能量。LIGO探测到了这些波独特的声音,就像小鸟唱歌,科学家称之为“啁啾”,这让科学家能检测两个涉事黑洞的质量:一个约为太阳质量的36倍,另一个约29倍。

  接下来,黑洞融合在了一起。它们合并后会变成一个完美的球形,但一开始,就像LIGO看到的那样,以一种逐渐衰减的涟漪形式辐射出引力波。

  引力波以光速传播吗?

  当科学家开始把来自LIGO的观测与其他类型望远镜看到的结果比较时,首先要检查的一件事就是,这些信号是否同时到达。

  物理学家猜测,引力是以一种名为“引力子”的微粒形式传播的,就像光子那样。如果引力子像光子,那它就没有质量,引力波就会以光速传播,符合广义相对论中对引力波速度的预测。引力波速度会受宇宙加速膨胀的影响,但要在极远距离才能显出这种影响,以LIGO的探测距离影响可以忽略。

  但引力子有微小质量也是可能的,这意味着引力波的速度小于光速。如果这样,LIGO和Virgo探测到的引力波到达地球所花的时间,会比其他传统天文台探测到的同一事件中发出的γ射线到达地球的时间要长一点,这将对基础物理学产生重大影响。

  时空由宇宙弦构成吗?

  如果科学家探测到的引力波来自宇宙弦,那会带来更奇怪的发现。科学家假设,宇宙弦是时空弯曲中的缺陷,无比纤细却延伸至整个宇宙那么远,它们可以与弦理论有关,也可以无关。研究人员预测,如果宇宙弦确实存在,它们可能偶尔纽结在一起,如果一根弦断了,就会突然释放出一阵引力波,然后被LIGO和Virgo等探测器检测到。

  中子星凹凸不平吗?

  中子星是较大恒星在自身重力作用下坍缩后的残骸,它们的密度极大,以至于自身的电子和质子融合成为中子。人们对这种极端物理学还知之甚少,但引力波为研究这些现象打开了独特的视窗。比如,中子星表面强大的引力倾向于把它们变成近乎完美的球形,但一些研究人员认为,它们的表面仍可能有“高山”——虽然只有几毫米高,却让直径只有10公里左右的中子星变得略微不匀称。中子星通常旋转得极快,这种不对称的质量分布会让时空变形,产生持续的正弦引力波信号、辐射能量,并减缓中子星的旋转速度。

  互相环绕的一对中子星也会产生持续的信号。这些星体也像黑洞那样,螺旋环绕最终融合,但它们会变成什么样却可能与黑洞大不相同。普雷托里乌斯说:“这有很多可能性,取决于它们的质量和中子物质产生的压力。”比如合并后可能是一个巨大的中子星,也可能立刻坍缩成一个黑洞。

  什么原因造成了恒星爆发?

  当大质量恒星不再发光,向内部坍缩时,会形成黑洞和中子星。天体物理学家认为,就是这一过程为II型超新星爆发提供了能量。单靠模拟这种超新星爆发还无法解释清楚是什么点燃了它们,根据预测,真实的超新星爆发会产生引力波,倾听这些引力波有望找到答案,研究爆发的波形、声音大小、频率及其与超新星爆发的关系,这些数据有助于检验现有的各种模型。

  宇宙膨胀速度有多快?

  宇宙膨胀意味着,正在远离我们银河系的物体看起来比实际更红,因为它们发出的光在传播过程中被拉长了,通过比较这种星系红移和它们与我们的距离,能估算出宇宙的膨胀速度。但这种距离通常用Ia型超新星爆发的亮度来计算——这种方法有很大的不确定性。

  如果全世界多个引力波探测器探测到了来自相同中子星合并的信号,结合在一起就能估算出信号的绝对音量,揭示合并发生离我们有多远,估计信号来自哪个方向,推导出发生合并的是哪个星系。将星系红移与通过引力波测出的合并距离相比,能独立估算出宇宙膨胀的速度,还可能比现有方法得到的数据更加精确。

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