科技 新浪科技 諾獎得主KipThorne:引力波的發現竟能推測宇宙的產生

諾獎得主KipThorne:引力波的發現竟能推測宇宙的產生

新浪科技 2018-08-11 11:08
Kip Thorne,2017年諾貝爾物理學獎獲得者、加州理工學院理論物理學教授Kip Thorne,2017年諾貝爾物理學獎獲得者、加州理工學院理論物理學教授

  新浪科技訊 8月10-12日,世界科技創新論壇在北京會議中心舉辦,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在內的20餘位諾貝爾獎獲得者,以及中科院院士曹春曉、美國國家工程院院士陳剛等諸多中外頂級學者專家應邀出席,共同打造史無前例的中國最高級別智慧盛宴,探討全球科技創新成果、描繪未來中國科技創新藍圖。在論壇上, 2017年諾貝爾物理學獎獲得者Kip Thorne教授發表主題演講。

  我們如何測試到引力波?引力波的監測非常複雜。因為我們要確保不是其他的東西會影響到我們的探測儀,所以我們有10萬條數據渠道是去分析在我們的監測儀當中發生了什麼,以及環境當中發生了什麼,5個月的分析之後,我們徹底確信監測到的就是引力波。而引力波是巨大質量的物體產生,比如說黑洞。電磁波是很容易被吸收,很容易被散射,而引力波是沒有辦法被這個散射或者是吸收的,即使是在宇宙這個早期的黑洞碰撞的時候也不會被吸收。

   以下是演講全文:

  13億年前在一個遙遠的星系,兩個黑洞圍繞著旋轉產生了引力波,在它們一起旋轉過程中突然之間出現了碰撞,然後它們會就出現了引力波的大爆發。那麼這個引力波爆就在整個的星系和宇宙中穿行。在我們所有的這個銀河系已經穿越所來自的銀河系,進入到廣大的宇宙,距我們13億光年。也就是光穿梭了13億光年之後一直到5300年前,當我們的祖先和類人猿一起出現在星球上的時候,這些引力波就進入到我們的銀河系,2015年9月14日到達地球,先是在一個半島登錄,在地球上所有的物質都不會影響到引力波,被我們LIGO測到。他們通過信號的測試,7分鐘之後到達了華盛頓之後的LIGO測試儀。整整5個月1000名的科學家和工程師緊密合作,來自歐洲同事的支持分析這些數據,確保我們看到的真正的是引力波。

  那麼,其實我剛才是這樣描述一個引力波的發展,就是我們其實引力波的監測非常複雜。因為我們要確保不是其他的東西會影響到我們的探測儀,所以我們有10萬條數據渠道是去分析在我們的監測儀當中發生了什麼,以及環境當中發生了什麼,5個月的分析之後,我們徹底確信監測到的就是引力波。2016年2月11日的時候跟全世界宣布這個結果,就是我們發現了引力波,全球各地紛紛作為頭條報道,各個主流媒體都報道。

  我們如何測試到引力波?這從愛因斯坦開始講,1916年的時候愛因斯坦就使用了自己當時比較新的這個非常新的相對論的理論,預測引力波的存在,並且描述了引力波是什麼。然後他說:引力波是什麼?它是有一個對空間的擠和拉。我們可以用這種,你想象一下空間是3D情況下顆粒情況下自由落體形成空間,在一個方向被拉扯,一個方向被擠壓。引力波的方向和空間的平面是垂直的,50年來大家覺得說要測試到引力波是不可能的。因為這些引力波是它的這個發射源非常弱,我們的技術不夠。但是1960年發生了變化,我們發現引力波的來源非常強,但是我們之前不知道。比如說有種子芯,黑洞的碰撞,技術發生了變化,有激光,超級計算,這樣子的話,我們就可以覺得監測引力波。一開始時候,Wision開始做引力波的措施,我自己也在美國加州理工學院做測試。

  我們描述一下什麼是引力波,世界上只有兩種波在宇宙中可以傳導,帶來遠處的信息。一個是電磁波,一個是引力波。電磁波是什麼?就是電磁場的震蕩在隨著時間的變化,在空間中傳播。那麼引力波它是我們說時間、空間這樣一個本身的波動,那麼電磁波它是由什麼造成的?是在不斷運動的帶電量的粒子形成的,而引力波是巨大質量的物體產生,比如說黑洞。電磁波是很容易被吸收,很容易被散射,而引力波是沒有辦法被這個散射或者是吸收的,即使是在宇宙這個早期的黑洞碰撞的時候也不會被吸收。

  這兩種波的差距因為我們注意到這種差距,所以很多的引力波是沒有辦法以電磁波的方式監測。那麼引力波它是這個空間的振動產生,而不是電場的震蕩產生。這兩種的放射完全不一樣,而當時,但是我們在1970年代的時候對宇宙的了解來自於電磁波,引力波的到來可以讓我們對宇宙有一個全新的看法。1972年的時候,Rai Weiss發明了LIGO的技術,就是引力波監測技術。他寫了一篇論文,描述了聲音源,也就是LIGO面臨的聲音源,如何消除雜音,計算了一下你的這個引力波測試時候,你可以有多少的這個敏感度。他說如果把監測器的臂長做到幾十公里可以監測,引力波概念是什麼?東西方向,掛起來,然後南北方向還有兩個鏡子,當有引力波時候會把一組波拉開,一組波擠壓。那麼下一個引力波來的時候會把第一組的波擠壓掉拉開。我們可以有這個激光的分光器來測試,通過激光的干涉效應來測試引力波。這一點非常有意思,我們可以用一個非常簡單的方式解釋一下我們看到的這種波的粒子有多小。

  如果說比如鏡子之間分開那麼多公里,先從1厘米開始,1厘米除以100是頭髮的直徑,再除上100是光的波長。再除上10萬,就可以獲得原子的直徑,再除上10萬,你就可以獲得一個原子的核子的直徑,再除上1000,你知道鏡子洞的一個距離是多少。我非常喜歡這個比方,我研究他的論文之前我會覺得這個人太愚蠢太瘋狂了,我們不可能測試這麼小的距離。我跟他也討論過,會發現真的有可能看到這麼小規模的變化,我自己當時決定要開始學理論物理,儘力去幫助Rai Weiss和他的同事實現對引力波的監測。我當時就相信確實是可以看到,但是很顯然我們是需要這個科技的不斷進展才能檢測到引力波。

  我再來舉個例子,一個非常有意思的例子,也是我自己的學生,我的博士后的學生在20、30年的時間裏面做出來的一個研究。是什麼?根據量子力學,世界上所有的一切都是在振動的,至少是以一種非常小規模在振動,包括電子,原子中的電子,電子不斷振動和遷移,你沒有辦法說這個時刻在哪裡,只能說可能在哪裡。同樣40公斤的鏡子,就是鏡子中的質量點,質量點也是不停的振動,振動的量其實是比我們預計能測到信號強度還要大,但是兩到三年後。有史以來第一次在LIGO在未來兩年可以看到以人的規模大小的物質產生量子力學這種運動。經典不能藏量子信號,用的是一種無損技術,通過鏡子的振動觀測到引力波,而不會損失到量子信號,和量子拓撲學、通信學、計算學有緊密相關的聯繫。我們想出一個設備,我的學生是一個前沿,我們其實操控振動的一個可能性的分佈。我們是作出了這些鏡子的量子振動的概率分佈。我們看到光的分佈,避免鏡子的本身振動使得沒有辦法抓住引力波的量子信號,這是一個非常了不起的技術。而且今年,我們的這個LIGO第一步這方面的突破已經實現了。

  LIGO本身是從1972年開始建立的,已經有43年想去追蹤引力波。從1975年-1994年我們做一些研究。然後1972年-1994年做技術的開發。BarryBarish是一個LIGO的主任,是一個高效的領導人,1995年之後成為我們LIGO的主任,他推動了很多的合作。因為合作對這個解決複雜的問題非常重要。其中涉及到1000多個科學家,80多個機構和16個國家,包括中國。涉及到兩代的引力波的監測儀。我們就是一個初級的監測儀和現代的先進的監測儀。2015年9月14日第二代監測儀開始第一個引力波搜索,信號進來了。我剛才也講了。

  我們可以來比較一下這個信號的波的特性。這個是灰色的部分是我們消除了噪音之後的波,大家可以看到,它是一個時間,隨著時間變化,這個鏡子一方面是拉一方面是擠,這是縱軸顯示的。我們把波形和計算機的比較之後會發現,這個是剛才我也講到的是13億光年前的這個,它是有兩個黑洞撞擊形成,一個是太陽質量的2900億倍,一個是3600億倍,碰撞合併,最後是太陽質量的6500萬倍,這樣13億光年前的事件變成了引力波。有三個太陽,兩個太陽合併之後變成新的一個太陽,發出引力波。在1/10秒的過程中,動量能量是把我們相當於什麼?就是我們的宇宙當中的所有的星系的加在一起的50倍,但是只有1/10秒時間,非常了不起。

  什麼產生了動量?要了解黑洞,是由空間的彎曲造成的,可以想像是一個黑洞的軸面,是一個二維的平面,放在一個3D的空間中,看一下表面在3D空間中的形狀,也就是從一個高維度的角度看2維的物件,現在有兩個軌道,這個藍色顯示在黑色周圍變慢。黑洞不停旋轉,空間的形狀以及時間的這個速度,它也會碰撞,那麼然後就會產生一個巨大的浪,就好像海浪一樣。這就是黑洞的碰撞,巨大的海浪就產生了我們的現在可以觀察到的引力波。

  我們從第一次之後又看到五次的黑洞碰撞導致的引力波,最有意思的兩個種子芯的碰撞。看一個動畫,這兩個種子芯,每一個是這個,它之間的濃度是原子動量濃度的20倍,碰撞之後產生一個巨大的火球。那麼然後會放出各種各樣的波長的電磁波,這是我們可以檢測到的。

  首先我們看到比如說中子合撞之後我們LIGO測試到引力波,這是天空的一個地圖。LIGO只能得出天空的位置,它這個是兩個綠色區域可能會出現碰撞。但是幾個禮拜之前還有另外一個,第三個引力波的測試就是Virgo,是法國、義大利、匈牙利、波蘭合作測試的,有三個LIGO之後,就會發現一個小小的深綠色的區域,是在碰撞之後1.7秒,就會看到這個天文學家就會看到伽瑪暴,可以用過這個伽瑪暴射線的望遠鏡,就區劃出藍色的部分。接下去幾個月看到遠紅外,來自於一個具體的星系,這是淺藍色的部分,這是天文學中合作最為廣泛的研究,一共15%的天文學家參与了碰撞的研究。

  我們通過比較,這個不同的比如說電磁波的放射和引力波的放射,使用了很多的重金屬,包括金子,鉑金,產生的量幾乎等於地球上所有黃金的儲量。到2030年我們可以進一步改善我們的LIGO的測試儀,在印度、北美、日本都會得到改善,也許其他地方也會出現LIGO。

  現在LIGO的敏感度,會比現在好很多,敏感度會高非常多。可以看到整個宇宙追溯到很多時間以前,差不多銀河系出生的時間,我們會相信出現很多的令人震驚的發現。2030年會有四種不同類型的引力波,來自不同波的時段或者說波的時代,因為它有不同的波形的特點。

  一個就是我們有基於基地的引力波,它是在幾微秒的時間內產生的引力波,另外其有LISA是幾分鐘的引力波的爆發。我希望中國能夠在對地和對空方面能做出更多的貢獻。另外還有一個POSA是時間斷裂,研究的是幾年甚至十幾年,就是宇宙微波背景的偏正光,在我們的天空當中,這個是在宇宙形成初期的這個引力波造成的,它是會和我們幾百萬年前甚至幾億年前的時空的碰撞而產生的。所以,到2030年甚至以後更長的時間,我們會做的最令人震驚的事情是對宇宙的探索。當宇宙剛剛還不到1秒鐘的這個一萬分一秒的時候,電磁力還不存在,當時的物理和現在不一樣。一秒的一萬億分之一的時候,電磁力會出現,物理會發生變化。我們期望或者是認為這是以泡沫的狀態出現。如果真的這樣的話,這些泡沫當中,這個就會出現比如說水分子出現,水滴出現,在每一個泡沫當中有一個電磁力,根據理論,這些泡沫是以光速在擴張,可以碰撞,出現引力波。那麼隨著宇宙是不斷擴張,這些引力波越來越長,越來越長,越來越長,現在這些引力波的長度已經是LISA是可以測試的,我相信2030年的時候LISA可以看到或者是電磁產生的過程,通過引力波的分析。

  更有意思的是看一下宇宙是怎麼出生的。引力波是唯一一種形式的放射,是可以具有非常大的穿梭力,從宇宙出生的一瞬間到現在,這個過程中不會被吸收,也不會被散射的,即使高溫、高熱的環境中,宇宙怎麼沉重?一開始的時候信號非常弱,有一個所謂的爆漲時期,就是一開始的最開始的時期,有強的理論證明這個爆漲時期,那些是有一個把各種波放大的過程,我們這個通過偏差政府光的技術可以看到這一點,通過LISA在2050年的時候我們講宇宙大爆炸,這個調查是可以出一些結果。所以通過引力波的研究,我們可以知道,宇宙是怎麼產生的,以及這個爆漲時期的發展。

  作為一個理論物理學家,其實我們一直覺得這是我們能做出的最大的貢獻,我們能獲得,我是非常期待在未來能夠看到這些觀察的數據,是和我們的這個關於比如說經典的量子力學產出一些非常不同,完全相反的一些理論。我也是希望能夠推動這些新的觀察能夠讓我們用全新的角度看待經典的量子力學和量子研究。

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