引力波的发现意味着什么

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译文字幕:?于2017.07.27制作完成

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13亿年前
在一个无比遥远的星系
两个黑洞陷入了一个漩涡之中
以不可阻挡之势冲向彼此
然后相撞
由此将等同于三个太阳的物质
在十分之一秒内转化成了纯能量
在那短暂的一瞬间
碰撞产生的光芒
令已知宇宙中所有星系中的
所有恒星都黯然失色
那是一个名副其实的
大 爆炸
然而它们并没有 以光的形式释放能量
因为它们是黑洞
所有产生的能量 都被注入时间和空间本身
使宇宙以引力波的形式延展
让我来对所涉及的 时间标度做一下说明
13亿年前
地球上刚出现了多细胞生物
在那之后 地球上的生物不断进化
珊瑚 鱼类 植物 恐龙 人类相继出现 当然 还有互联网
大约25年前
一群极具冒险精神的人
麻省理工学院的瑞伊·维斯
以及加州理工学院的 奇普·索恩和罗纳德·德雷弗
产生了一个他们认为 非常了不起的想法:
他们想要制造 一台庞大的激光探测器
来搜寻由黑洞撞击等产生的引力波
大多数人都觉得他们疯了
但也有很多人认为 他们是了不起的疯子
所以美国国家科学基金会决定 为他们这一疯狂的想法提供资金支持
由此 经历了这几十年的发展
通过不断的建设和构想
以及惊人数量的辛勤工作
他们最终建成了这台 名为LIGO的探测器:
全称叫做“激光干涉引力波观测台”
在过去的几年中
LIGO的准确性得到了巨大的提升
其探测能力也有了惊人的进步
所以现在它可以被称为“高端LIGO”
2015年9月初
LIGO进行了最后一次试运行
辨识出了少量滞留的细节
随后 在2015年9月14日
即探测器正式运行数天后
由黑洞撞击所产生的引力波
经过了地球
它经过了我们每一个人
它也经过了那台探测器
[音频]斯科特·休斯:在我生命中只有两个时刻
给予过我比这更为强烈的情感冲击
一个是我女儿出生的时候
另一个是我父亲病逝前 我与他告别的时候
可以说我从事这项事业就是为了这一刻
我为其付出努力的事情 都不再是科幻小说了![大笑]
艾伦·亚当斯:这是我的好友兼合作伙伴
斯科特·休斯 麻省理工学院理论物理学家
他研究源自黑洞的引力波以及它们
可以传递给像LIGO这样的观测台的信号
已经有23年之久
现在让我来简单介绍一下 什么是引力波
引力波是以时间和
空间的形式产生的波动
当引力波通过时
它将空间及其中的所有事物
向同一方向拉伸
同时将其在另一方向上压缩
这使得许多广义相对论教授
在课堂上说明广义相对论时 都跳起了滑稽的舞蹈
“拉伸再扩展 拉伸再扩展”
研究引力波的难点在于
它们太微弱了;微弱得不合常理
就拿9月14日穿过我们的引力波为例
确实 在其作用下 我们每一个人都被
拉伸和压缩了
但这个过程中一个普通人被拉伸了
10的21次方分之一
也就是小数点后20个零
再加1个一
这就是为什么 人们认为LIGO的研究者们都是疯子
即使使用5千米长的激光探测器 ——这本身就很疯狂
他们还是需要以比原子核半径的
千分之一还小的单位来测量那些
探测器的长度
这真是超乎常人所能想象
在其关于万有引力的 经典著作的末尾
LIGO的联合发明人奇普·索恩
对引力波的探索进行了如下描述
他说:“要建成这样的探测器
需要克服巨大的
技术难题
但是 物理学家都是天才
再加上公众的广泛支持
所有的难关都会被攻克”
这本著作出版于1973年
42年后 他才获得了成功
让我们回到LIGO的话题上来
斯科特总是说
LIGO的运作方式 更像是耳朵而非眼睛
让我来解释一下这句话的意思
可见光的波长
比我们身边的事物都要短
比如人的五官
或是你们的手机
这样的波长非常有用处
因为它令人们借助来自
身边场景的不同位置的光线
获得周围事物的直观影像
声音就不同了
人们能听到的声音的波长 可以达到50英尺
这使得声音很难
事实上 从实用意义来讲 根本不可能
去形成你所在意的事物的直观影像
比如你的孩子长什么样子
相反 我们通过声音
来辨识音高 声调 节奏 音量等特征
以此来推断声音背后的故事
爱丽丝正在讲话
鲍勃插话进来了
鲍勃真是不分场合
引力波也有同样的作用
我们虽然不能通过引力波 获得宇宙中事物的直观影像
但通过倾听
引力波振幅和频率的变化
我们能够听出它们所传达的故事
至少LIGO接收到的
波频在人们能听到的范围内
所以 如果我们把波形 转化为压力波和空气波 即声音
我们就能确实地听到 宇宙传达给我们的信息
比如 以这种形式倾听引力波
我们就能获得很多 有关两个黑洞撞击的信息
这也是我的同事斯科特 花了大量时间探索的事情
[音频]斯科特:如果两个黑洞没有旋转
你听到的是“嗡——”一声鸣响
如果这两个黑洞高速旋转 响声是相同的
但调制却发生了变化
听着就像:嗡——嗡——嗡——
可以说这就是旋转 在波形图上留下的只言片语
艾伦:在2015年9月14日
一个我将永远铭记的日子
LIGO听到了这样的声音:
[嗡鸣声]
懂得如何倾听它的人知道 这个声音来自
斯科特:……两个质量均为太阳30倍左右的黑洞
以相当于搅拌机运转的速度
旋转时所发出的声音
艾伦:我们有必要停下来好好想想 这意味着什么
两个黑洞 宇宙中密度最高的物体
其中一个的质量是太阳的29倍
另一个是太阳的36倍
它们以每秒钟100次的速度 绕着彼此旋转
然后相互碰撞
想象一下其中的能量
简直不可思议
我们之所以知道这一切 是因为我们听到了它们
而这就是LIGO的长远价值所在
它为我们提供了一种前所未有的
观察宇宙的途径
通过这一途径 我们可以倾听宇宙
倾听不可见的事物
在实践中甚至是理论上
宇宙中的许多事物都是不可见的
举个例子 超新星
我非常想知道为什么恒星质量 达到一定程度时就会发生超新星爆发
这很有价值
它们帮助我们 获得了许多有关宇宙的信息
问题是 所有有趣的物理现象 都发生在内核
而内核掩藏在数千公里厚的
铁 碳 硅元素之下
这些元素不透光 我们永远无法看穿它们
而引力波却能穿过铁;
就像穿过完全透明的玻璃一样
再举个例子 大爆炸
我很想研究 宇宙初始的时刻发生的一切
但是我们已经无法看到了
因为大爆炸本身 已经被其发出的余辉所掩盖
利用引力波
我们有可能看到其最初的状态
或许 最重要的是
我肯定宇宙中还有很多事物
是我们见所未见的
或是永不可见的
甚至是我们无法想象的
我们只能通过倾听 去发现这一切
事实上 在运行之初
LIGO就发现了 我们意想不到的事物
下面的录音来自我的同事 一位LIGO合作研究的主要成员
麻省理工学院的马特·埃文斯
他提到的正是这一点
马特·埃文斯:我们现在 观察到的这两个黑洞
它们源自的恒星 可以说是宇宙中的恐龙
它们是来自于史前时代 古老而巨大的存在
而黑洞则像是恐龙的骨骼化石
我们通过它们进行考古研究
这给了我们一个全新的视角
去思考宇宙中存在的事物
思考星体的形成过程 当然 最终要去思考
人类在宇宙混沌中的发展之道
亚伦:我们当下的挑战
就是要更加大胆尝试
LIGO让我们知道如何去建造 精密的探测器
以此来倾听宇宙
倾听其中的低簌与鸣响
我们的工作是要大胆想象 并建造新的观测台
在地球上和太空中建立
全新一代的观测台
我是说 还有什么事能比 倾听宇宙大爆炸更为美妙呢?
我们的工作就是创造伟大的梦想
跟我们一起梦想吧!
谢谢
[掌声]
以下内容有剧透 , 请注意打开姿势

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