重大發現!四維空時扭曲如大海波濤

說到四維空時,涵蓋一切,要絞盡腦汁去想象,宇宙實在是太太太浩瀚了(厲害的事情重複三次)。關注日常瑣事,不妨也關注一下宏大的事物,這是本文想試著"擁抱"(entertain)的 。雖不得不用"人類,地球,宇宙"等詞匯,但"thinking big"是鍛煉想象力的方法之一。腦筋一張一弛,神經元間會如雨後春筍生發新突觸,說不定萌發新智慧讓人朝"wise man/wise woman"邁進一步。從愛因斯坦帶來相對論,到今天普通人也能把深奧的科學發現當新聞來讀;從古代人盤古開天地之說,到今天大爆炸理論有圖有真像(宇宙邊緣原始星係和宇宙微波背景輻射照片);人類對客觀的認識像剝洋蔥一樣一層又一層地深入。

然而,並不是每一個人都能解碼宇宙的秘密,我們大多數人隻不過是緊緊跟隨那些極少數的智者罷了。世界上隻有愛因斯坦的大腦悟出時間和空間不是線性的,在強大引力作用下能發生"扭曲",上世紀早期被人用實驗證明(光線經過太陽時拐了個彎),七年前測到了引力波,再到這次發現黑洞"攪動"時空留下引力波背景,宇宙有點兒像海洋一樣無風三尺浪,而且波濤洶湧。

我們每天都被引力或重力所"禁錮",隻能習以為常,不是每個人都能像億萬富翁那樣乘火箭到太空一遊,享受零重力給他們帶來的快感(也許在人類社會,錢是第五維度)。十年前我們從未聽說過有人證實引力會被"攪動",像水一樣在時空中泛起漣漪。無所不在的引力,牛頓叫它萬有引力,主宰著這個世界和廣寒的宇宙,具有穿透一切的能力,也影響著光速的表達。我們以為,引力,空間,時間是均勻,靜虛和一成不變的,可科學的發現一直在顛覆我們的固有概念。


上百億年前原始宇宙中超大質量黑洞統治著一切,是宇宙之王,今天仍然有過之而無不及(黑洞是時空中的一個點,其周圍被一層"黑幕"所包圍,其界定決定於黑洞質量的大小,到達該界麵的任何東西包括光線都隻進不出)。"超大"的意思是高達上億個太陽的質量,其事件視界(Event Horizon或上述"黑幕")大如太陽係的邊緣或更大。這還不夠,它們相遇時還要互相吞並,兩個巨無霸碰撞前必須跳一段愛之舞。超大質量之間舞出的"探戈"導致引力劇烈震蕩,時空極度扭曲,並以光速把這種扭曲像波浪一樣向四麵八方傳遞。科學家們在理論上早就預見了這種宇宙引力波浪的存在,隻是沒有辦法測定驗證它們而已。用愛因斯坦的話說是"It must be produced, we just cannot detect it"。 

 
我們不僅沐浴春風,還在地球這個宇宙的沙灘上踏著引力的波浪。

數年前,LIGO(激光幹擾引力波天文台)引力波測試平台還在調試和試運行,一天科學家原定要關閉儀器下班回家第二天接著幹,因臨時有其它事加點班,就任由儀器繼續運行。這種儀器有兩道激光,彼此成直角,每一道穿行在2.5英裏長直徑1.2米的真空管中(詳見本文末尾油管視頻)。費了大力氣和資金,建這樣一個特殊的天文台,管不管用誰心裏也沒底,唯一能做的就是等待或"守株待兔",也就是說要測引力的波動,得有波傳過來才行,可遇不可求,也許得到猴年馬月,但科學家們有信心,篤信上麵愛因斯坦說的那句話,覺得一定能測到。就在科學家暫顧其它的時候,儀器有了異樣的信號收集,接下來經過團隊夜以繼日的資料處理和反複驗證,不由地慶幸那天沒有關機,因為他們中了"頭彩",那是long long time ago in a Galaxy far far away",兩個黑洞碰撞產生的引力波在時空中以光速跑了13億年才到達地球。他們將引力波信號轉換成聲音,形象地再現了時空扭曲的浪花經過地球時的美妙一刻。



這種被LIGO測到的引力波相對高頻,換成聲波聽起來像一滴水的聲音,或像一聲簡短的口哨。此類引力波容易定位其來源。前述黑洞跳探戈產生低沉引力波,波峰相隔數年,LIGO無能為力,更遑論定位了,探測它需要永恒而又極其精確的脈衝星輻射作為基準,需要全球各大天文台的合作來完成,尤其是那些大型,超大陣列射電天文望遠鏡對脈衝星的觀測。地球,射電望遠鏡和遙遠而忠誠的大量脈衝星共同組成了一部探測低頻時空漣漪的脈衝幹擾儀。時空海洋的微妙波瀾可以幹擾脈衝信號的準時到達,科學家們用了15年的時間收集數據,從蛛絲馬跡中找到了引力波背景的證據。現在水到渠成,在有關組織的協調下來自全球五個團隊的天文物理學家們同時發表文章,公布了這一重大發現。
 
有人將時空引力波背景的生成和發現這樣比喻,設想一個湖麵上,在湖的邊緣有個小船(地球),劃船者(人)手握雙槳(射電望遠鏡與脈衝星射線),湖的中間有一對甚至n多對摩托艇(超大質量黑洞),彼此互繞高速轉圈(超大質量黑洞合並前跳的探戈),不斷攪起波浪(低頻引力波)。當波浪傳到小船時,雖然人感覺不到(請不要再這一點上較真),但卻在劃槳上留下有高有低的標示,科學家們透過現象看本質,確定宇宙中到處都是這種背景波動。

請不要擔心,引力波無論頻率高低,對我們日常生活毫無影響,如果哪天你無緣無故精神不振,絕對不是引力波在作祟,對研究宇宙天體的科學家來說引力波背景的存在不但是個重大發現,而且給他們研究宇宙的來龍去脈打開了一個大門。這層洋蔥剝開後,肯定會有下一層,到時候新蔥可能會非常辣眼哦。(所有圖片來自網絡)


 


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