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美国华裔教授专家网杰出学者、CAltech陈雁北教授:我们探测到引力波
美国华裔教授专家网杰出学者、CAltech陈雁北教授:我们探测到引力波
2016/2/11 2:27:55 | 浏览:4006 | 评论:3

100年前,当爱因斯坦预测引力波的存在的时候,他不曾想过,有朝一日,人类能够真正观测到应力波:这个效应是如此的微弱,无法察觉。今天,2016年2月11日,北京时间23:30分,加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会,向全世界宣布:我们真的探测到引力波!

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引力波探测参与者陈雁北

相关论文,以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger为题,在Physical Review Letters上发表。论文作者包括LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院陈雁北教授等。 此文介绍引力波探测漫长曲折而又激动人心的经历,和一些鲜为人知的花絮,从300年前的引力,100年前相对论,一直讲到今天的引力波。

爱因斯坦都不敢想象,我们真的探测到引力波!

1915年,爱因斯坦发表广义相对论论文,革新了自牛顿以来的引力观和时空观,创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年,爱因斯坦在广义相对论的框架内,又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。

因为引力波的效果极其微弱,100年前的爱因斯坦认为引力波在任何能想象的情况下都可以忽略。50年以前,实验物理学家Joe Weber勇敢的开拓了引力波探测的先河。40年前,天文学家Hulse和Taylor发现了脉冲双星、间接证实了引力波的存在。25年前,物理学家Drever, Thorne和Weiss在美国国家科学基金的资助下开始建造激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,LIGO)。 今天,美国的LIGO和欧洲的VIRGO引力波探测器联合发布消息,宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。

在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件(GW150914)中,4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离,以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动,被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出,让人类第一次“近距离的接触”了黑洞。黑洞不再是科幻作品中的神奇物体,不再躲在高温磁化的等离子体后面,也不再稳稳的坐在星系中央。这次,我们实实在在的观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。引力波探测的成功,为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。

引力

引力是无处不在的。 它主导了天,让宇宙、星系、恒星、行星有序地形成和演化;它主导了地,让我们生活的地球分成了各个圈层,让苹果落地,让人类羡慕鸟类飞翔,让日出日落,山川秀丽。可是,引力虽然无处不在,它却低调而又卓尔不群,以至于我们经常会忽略它: 我们生活中的五颜六色、酸甜苦辣,都是由电磁相互作用所产生的。而到目前为止,在微观上,引力还是和其他基本相互作用不能融合!

引力是人类最早定量认识的相互作用,让人类从无知走向科学。在17世纪,伽里略的斜塔实验就通过运动学证明了引力对众生平等,也就是等效原理-- 不同材质的物体下落加速度一致。1687年,牛顿创建了万有引力定律,并且发明微积分的数学方法对行星的运动进行精确的描述。后人用牛顿的理论发现了海王星和冥王星。虽然水星近日点的进动一直和牛顿预言闹一点非常微小的矛盾,但是貌似引力的终极理论就此完成。

在牛顿发现引力之后的几百年,物理学的进展更多的是在对电和磁的研究,1865年麦克斯韦最终建立了电场和磁场的大一统理论。到了1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,极具洞察力地论证了电磁场的统一性暗含了时间和空间的统一性:物理理论必须把时间和空间放在一起考虑,而时间和空间本身,失去了绝对意义。一个新的概念,“时空”,就这么诞生了。

广义相对论

尽管牛顿的万有引力定律有着几乎完美的实验验证,但是观念上是把时间和空间分开考虑的,并且牛顿引力是瞬时传播的。因此,牛顿引力和狭义相对论理论在概念上是矛盾的。提出了狭义相对论之后,爱因斯坦进一步研究引力和“时空几何”的关系,重新思考伽里略所观察到的物体下落加速度一致这个现象,意识到引力是一个非常特殊的相互作用。如果我们进入一个自由下落的参照系,那么引力会消失!这就是为什么在地球附近的宇航员会感觉到失重:不是因为他们离地球太远,而是因为他们在自由下落!

如果我们进入自由下落的参照系,引力好像没有了,是不是意味着引力只是参照系变换的产物,而不是真实的物理存在呢?不是的,因为宏观上不同位置上自由下落的参照系是不同的!如果我们考虑一个足够大的空间站,就会发现空间站不同位置上的物体会有相对加速的现象,这就是所谓的潮汐加速度。而这个加速度,是对所有物体都适用的。爱因斯坦把这个归结于时空几何的弯曲。

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广义相对论中的时空几何,就是会让本来速度彼此平行的自由下落物体彼此接近或者远离。像牛顿引力中的苹果落地一样,广义相对论中的弯曲几何也可以用苹果解释。在苹果的表面,如果画一些起初平行的曲线,并且以同样的初速度从这些平行曲线出发。那么根据这些平行曲线的位置和走向不同,它们有的会彼此靠近(正曲率),有的会彼此远离(负曲率)。

爱因斯坦联系时空几何和物质分布的方程,可以写成一个非常简洁的张量形式:

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爱因斯坦方程的求解

广义相对论的方程形式美的令人陶醉,但是数学结构比苹果表面的几何复杂很多。 在相当一段时间里,数学家和物理学家只能远观而不能与之亲密接触,只得到了爱因斯坦方程在少数情况下的解,而并不理解这些方程的意义。直到20世纪70年代初,数学物理学家才证明了爱因斯坦方程在原则上可以系统的用初始条件加时间演化的方法求解。在1979年,丘成桐先生和他的学生Richard Schoen用几何分析的方法证明了《正质量定理》,给广义相对论中质量的概念奠定了数学的基础。真正女神的魅力是持久的,爱因斯坦方程解的全局性质、以及物理学家所用的数值解法的收敛性问题,至今也还是数学研究的前沿问题。

黑洞

自从爱因斯坦建立他的引力方程以来,科学家陆续发现了一些解析解,球对称下的Schwarzschild解和轴对称下的Kerr解。这些解所对应的时空中没有任何质量,貌似是纯时空几何的弯曲。

后来,在Oppenheimer和Wheeler 等人的研究下,人们逐渐意识到,这是大质量星体烧尽核燃料以后,通过“塌缩”所达到的一个状态。Wheeler把这些时空结构命名为“黑洞”。

华裔教授陈雁北:“引力波”基础理论研究的价值

(侨报网 聂达)

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陈雁北讲述个人研究在“引力波”实验中的价值。(聂达摄)

近日,“引力波”的证实与测量实验在美国取得了里程碑式的成就与结果。加州理工大学物理系教授陈雁北作为整个研究体系中的华裔贡献者,今日也接受了采访,并讲述了自己多年的科研工作在整个研究中的价值。

陈教授用非常朴实且专业的语言描述着自己的工作:“这是一个非常庞大的项目,其中与之相关的科学家、研究学者和教授以及科研人员,多到难以用精准的数字统计。我所做的工作是基础理论研究的部分,换言之,我并没有从事直接的实验和数据分析工作。我的第一个相关研究是对探测器中部分元素灵敏度的研究。在我们所用以实验的仪器中有各种各样不同的噪声,比如由量子力学所引起的噪声。说的通俗一些就是光对引力波观测造成的干扰。我的任务就是分析这些噪声的大小,在何种情况下可以改善这些噪声的影响,从而提高整个测量实验的灵敏度。我的另外一项工作是,研究实验过程中所使用的镜子产生的热量对引力波观测造成的干扰和噪声。总之,这些工作在整个实验系统中处于比较基础的地位。”

另外,陈教授还表示:“他对数据研究的方法也做出过一些贡献,例如:如何使用统计方法从庞大的数据中抽取出引力波的信号。其中一个比较重要的方法叫做“滤波”。在我们所观测到的数据中,存在很多扰动,即是说我们所直接得到的数据是庞杂且混乱的。然而想要在庞杂的数据中得到我们最希望观测到的数据序列和规律,是需要一些方法的。因此,我曾经的研究内容,就是提出一些可以应用于这个过程的方法和策略。这些方法可以帮助更加有效地提取引力波的信号,从而帮助将这些信号与相对论的预言进行对照。”

最后,陈教授表示:“对于这么大的一个项目,每一个部分都是由相当大的、完整的团队去进行,我个人仅仅从事理论研究以及数据分析方法研究。”

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  引力波的发现有何重大意义?激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织核心成员、加州理工学院陈雁北教授指出:“1.广义相对论以时空几何来描述引力,而引力波的发现,代表了人类直接探测到了时空几何的动态扭曲。2.作为恒星演化的末态,黑洞是天文学中的一种重要物体。引力波让我们详细观测到了其附近时空几何的强烈弯曲和震荡。3.进一步的引力波观测,让我们以全新的方式精确的检验广义相对论,也开启了观察宇宙的新视窗。4.LIGO的实验本身,代表了精密测量科学取得了重大进步。”

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Dr. David Reitze, Executive Director of the LIGO Laboratory at Caltech, shows the merging of two black holes at a news conference to discuss the detection of gravitational waves, ripples in space and time hypothesized by physicist Albert Einstein a century ago, in Washington.

Scientists have for the first time detected gravitational waves, ripples in space and time hypothesized by Albert Einstein a century ago, in a landmark discovery announced on Thursday that opens a new window for studying the cosmos.

The researchers said they detected gravitational waves coming from two distant black holes – extraordinarily dense objects whose existence also was foreseen by Einstein – that orbited one another, spiraled inward and smashed together. They said the waves were the product of a collision between two black holes roughly 30 times the mass of the Sun, located 1.3 billion light years from Earth.

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LIGO scientific collaboration has confirmed discovery of gravitational waves using its detectors

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Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein's Prediction

LIGO has opened a new window on the universe with the observation of gravitational waves from colliding black holes.
For the first time, scientists have observed ripples in the fabric of spacetime called gravitational waves, arriving at the earth from a cataclysmic event in the distant universe. This confirms a major prediction of Albert Einstein's 1915 general theory of relativity and opens an unprecedented new window onto the cosmos.

 

LIGO was originally proposed as a means of detecting these gravitational waves in the 1980s by Rainer Weiss, professor of physics, emeritus, from MIT; Kip Thorne, Caltech's Richard P. Feynman Professor of Theoretical Physics, emeritus; and Ronald Drever, professor of physics, emeritus, also from Caltech.

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LIGO's Beginnings

LIGO, the most ambitious project ever funded by the National Science Foundation, consists of two L-shaped interferometers with four-kilometer-long arms; at their ends hang mirrors whose motions are measured to within one-thousandth the diameter of a proton. Managed jointly by Caltech and MIT, Initial LIGO became operational in 2001; the second-generation Advanced LIGO was dedicated on May 19, 2015. On September 14 at 2:51 a.m. Pacific Daylight Time, both of the twin LIGO detectors, located in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington, nearly simultaneously detected the characteristic "chirp" of the black holes' fusion.

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The collision of two black holes—an event detected for the first time ever by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, or LIGO—is seen in this still from a computer simulation. Read more

 

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These plots show the signals of gravitational waves detected by the twin LIGO observatories at Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington. The signals came from two merging black holes, each about 30 times the mass of our sun, lying 1.3 billion light-years away. 

 

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三体和星级穿越中引力波拯救了世界

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(引力波——时空的波纹 示意图)

在现实中引力波真实存在吗?科学家们从来就没有放弃过寻找引力波的踪迹。

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(图中的纹理表示了星系磁场的方向,基于星尘发出的偏振光方向测出)

颠覆宇宙观:神秘的引力波终于找到了!

引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图,其发现如获证实,将是物理学界里程碑式的重大成果。按照学术界的标准,学术成果一般要经过同行评议并发表在学术期刊上后,才算得到公认。

引力波是一种时空涟漪,如同石头丢进水里产生的波纹一样。双中子星绕转合并等天文事件有可能产生引力波。爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在,广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有引力波一直徘徊在人们的视线之外。

美国《科学》杂志预测2016年有三大领域值得关注,其中之一就是引力波探测,认为一些刚升级的探测器也许能很快让物理学家一睹引力波的真面目。比如,激光干涉引力波天文台最近刚完成改造,探测灵敏度比5年前提高10倍,其第一次探测于12日结束。

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(位于南极的观测点)

引力波诸多问题待解读

那么问题来了,引力波到底来自于哪里?有可能最终发现引力波么?引力波真的能够为宇宙大爆炸理论提供确凿的证据吗?

1. 引力波来自于哪里

研究人员一直在不断寻找更难以捉摸的、自宇宙诞生后不久产生的引力波,即原初(primordial,宇宙学中一般译为“原初”,特指“宇宙学暴涨”,即宇宙极早期经历的急剧加速膨胀过程这一时期)引力波,因为这是138亿年前创造宇宙的大爆炸中产生的痕迹。

2. BICEP2能否观测到引力波

科学家们利用Atacama等宇宙望远镜,将能测量普朗克卫星测量范围之外的宇宙微波背景辐射,并将从前一代BICEP实验中汲取到大量对粉尘和其他污染物建模的宝贵经验,这让“B模”偏振的检测在未来十年内有望变成现实。有些学者推测,若减去已知天体物理过程中所检测到的引力波,空间干涉仪也许能够探测到原初引力波。

3. 引力波无法证明宇宙大爆炸

如果能直接观测到引力波,人们将知道宇宙暴涨发生时的能量量级,从而使人们更接近最终了解宇宙大爆炸的真相。但遗憾的是,引力波并不能作为宇宙大爆炸存在的证据。

4. 探测引力波需要多个实验

不同的频率对应不同的幅值。因此,如果科学家们能探测到两种或两种以上的不同频率的引力波,这将作为宇宙暴涨的有力证据——即使最强硬的怀疑论者也无法反驳。

能直接检测到天体引力波,将为很多学者打开一扇验证爱因斯坦广义相对论是否正确的大门。此外,引力波方面的研究还将为人们对星星、银河系和黑洞的认知提供前所未有的新视角

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fengd ‎说:留言于2016-02-17 11:42:33(第2条)
發現愛因斯坦引力波的反思
上星期,2016年1月11號, 在美國華盛頓的一個新聞發佈會上宣佈了3000位全球的科學家花了二十年工夫終於探測到愛因斯坦在百年前預測的引力波!在今天「平的地球」內, 這個消息在地球的另一端的港澳也立即起了漣漪。在2月12號及2月19號, 香港中文大學物理系的黎冠峰教授以廣東話及英語分别報導此發現。在2月20號, 澳門大學也請了中文大學的理論物理博士生, 也是澳門學子甘駿暉用普通話(但PPT是英文) 報導。甘駿暉的題目是「愛因斯坦的時空漣漪-引力波的百年征程!」因為這個議題是炙手可熱,澳門大學還特別在當地的高中廣泛宣傳,熱烈歡迎中學生與中學老師參與!
今天港澳對地球另一端的立即反應令我想起1957年在新加坡對另一件重大發現的反應。那一年我還是小學五年級,在十月時看到報紙報導兩個華人,李政道與楊振寧,得到世界最高的「什麼什麼」榮譽。我還清楚記得報上有一張李政道的照片,在他背後是一個大黑板,黑板上寫上一些勾來勾去的「字」。
我記得我看到這報導,心中很激動。我激動的原因並非是李楊二人得了物理的諾貝爾獎。當時我既不知道什麼是物理,更不知道什麼是諾貝爾獎。我激動的原因是他們兩人竟然,如我,也是中國人,那至少在這一點,我和他們是一樣的!
但是,我清楚記得當邀動過後,接下來就是一連串的失望。失望的一個原因是我一無所知他們到底做什麼這麼偉大的事。另外一個更重要的失望是我問東問西,沒有人可以給我滿意的回答。對一個小學生來説,中學的學長已經有高深的學問。但好幾位我認識的初中或高中的同學,他們都回答我説他們也完全不知道這是什麼一回事! 當時在新加坡兩個大學也沒有人作公開解說。我記得當時我的一個模糊結論是大概這些偉大事情是不會在新加坡發生的。回想起來, 我當時的思維是我今天常提到的「第三世界的思維」: 那就是「好的事情是不會在這里發生!」
今天在港澳對引力波發現的反應正好是近六十年前對李楊得獎的一個強烈對比。我可想象今天在港澳的一位小學五年級同學,他/她絕對不會有我當時的徬徨。今天的他/她可上網,可問同學,可問父母,也可問中學老師。他/她甚至可以被中文大學或澳門大學邀請去聽黎冠峰或甘駿暉的演講。總之在他/她的腦海中, 「第三世界的思維」是不會存在的!
近年來, 在許多演講内, 我常提到培養亞洲青年「内涵信心」是教育的一個重要, 假如不是唯一的宗旨。從這個角度看來, 澳門大學對發现引力波探测的快速反應的確是好事。但是比此更重要的是作為一所大學, 我們必須讓所有的學子建立他們必須有的「內涵信心」。能夠知道「好的事情是可以在這里發生!」是樹立「內涵信心」一個重要的一步!
游客去游客家留言留言于2016-02-12 20:51:11(第1条)
依然是力学时代的微观证明方法,钻了量子力学的牛角尖,又跌进引力波的黑洞。

宏观推测宇宙的方法,容易得出最有说服力的论断。宇宙是什么架构?宇宙是能量与创生的网络,能量在太空传输,在节点创生。
 
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