時空的漣漪：從愛因斯坦到 LIGO 再到更遠的地方

科技 08-08

時空的結構說明了由於質量引起的漣漪和變形。一個新的理論必須與廣義相對論不同，它必須做出新穎的、截然不同的預測。

對於一個科學家來說，很難想像有什麼比成為第一個發現新事物的人更令人興奮的事情了。一個新的行為、一種新的自然法則、一種新的能源、一種看待宇宙的新方法。當愛因斯坦提出他的廣義相對論時竟然是所有這些及其更多。100多年來，它可以說是我們有史以來最成功的物理理論，經過了無數的測試和驗證，有了新的探索途徑。在不到兩年前第一次探測到的引力波是打開宇宙的最新窗戶。在一本包羅萬象的新書中《時空的漣漪：愛因斯坦引力波以及天文學的未來》多產的科學作家希林已經取得了令人著迷的歷史和科學的準確性，偉大的奇蹟和好奇心以及絕妙的故事。

宇宙局部的引力場的可視化，在比星系和星系團更大的最大尺度上，是我們能理解宇宙的偉大宇宙觀之一。

我們現代的宇宙圖景是錯綜複雜的，在過去的一個世紀里已經有了巨大的發展。當這本書開始時霍弗特通過挑戰我們想像宇宙的不同方式來描繪這幅畫。我們在小尺度上進入原子；我們在更大的尺度上看待恆星、星系和偉大的宇宙網路；我們的旅行接近光速，我們探索高溫和能量。在向我們介紹宇宙的時候,，最引人注目的方面是有多少故事是有必要的。剛開始寫這本書的人會發現更多值得探索的新途徑，因為你幾乎可以看到無人跋涉的好奇之路。

這幅圖像顯示了引力透鏡效應，因為時空被質量扭曲了。愛因斯坦的理論與牛頓的理論有很大的不同。圖片：NASA, ESA, and Johan Richard (Caltech, USA); Acknowledgements: Davide de Martin & James Long (ESA/Hubble)

廣義相對論並不總是我們的引力理論，它必須推翻牛頓萬有引力定律。時空的漣漪描述了這是如何發生的，歷史上和科學上關於彎曲的時空如何做出明確的預測，牛頓引力沒有。這不僅僅局限於星光的彎曲，還包括所有的空間本身可以扭曲、扭曲、變形和延遲。討論了日食和水星的進動，但也討論了大地效應和框架拖曳。還有一個有趣的事實，愛因斯坦自己也糾結於引力波是否真的存在，或者僅僅是數學的產物。這也是一個強烈的提醒：不管一個人有多聰明，他們從來沒有把一切都做對，知道一切。

當兩顆中子星相互環繞時，愛因斯坦的廣義相對論預言了軌道衰變和引力輻射的發射。對這種效應的觀察（黑點）與理論預測（紅線）非常吻合。圖片：NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer

時空的漣漪遠遠超出了你在過去幾年裡聽到的引力波的故事。坍縮的天體物理現象，如白矮星和中子星也被討論過。在雙星系統中，脈衝星的軌道衰變被證明是對引力輻射的第一個間接驗證並詳細討論。還討論了直接和間接探測引力波的嘗試，例如大的「條形探測器」探測器或者在宇宙微波背景中尋找特定的偏振信號。約瑟夫?韋伯(Joseph Weber)和他的開創性(但最終是有缺陷的)工作和壯觀但有缺陷的BICEP2結果，並不是失敗而是學習經驗，這些經驗在今天仍然具有科學價值。

在它的核心像LIGO或LISA這樣的系統只是一種激光，通過光束分裂器發射，發射出兩種完全相同的垂直路徑，然後再組合成一個干擾模式，隨著臂長度的變化，圖案也隨之改變。圖片：LIGO collaboration

最後像LIGO這樣的現代引力波天文台的概念和執行，都是在引人入勝的細節中發展起來的。介紹了干涉測量法，提出了一種可行的、理論上可檢測的系統和振幅的概念。

計算機模擬兩個合併的黑洞產生引力波。圖片：Werner Benger, cc by-sa 4.0

這對那些對LIGO的檢測持懷疑態度的人尤其感興趣。LIGO的設計靈敏度到底有多大？他們怎麼能知道他們看到的是真的呢？他們有多大的信心能檢測到他們聲稱發現的東西？這些問題的答案非常清楚，在引力波天文台的歷史和它們的發展過程中給出了無數的例子。讀完這個故事後你所有的疑慮都該沒有了。

引力波波動的形狀是無可爭議的，但波譜的大小完全依賴於模型。最大幅度的可能性是BICEP2敏感的範圍，但未來的觀測和實驗可能揭示出一個信號，如果較弱的可能性描述了我們的物理宇宙。圖片：普朗克科學團隊

你會注意到時空中漣漪的一個最顯著的特點就是故事的獨特性。這本書本身研究得很好，作者以老式的方式來做這件事：首先去拜訪那些有助於創造這一歷史的科學家和歷史人物，科技是一個堅實的基礎；沒有甚至一個著名科學家的意見，實際上科學事實混為一談。雖然有豐富的歷史，重點始終是科學調查和發現的故事（或者有時候沒有發現，這也同樣有趣！）

約瑟夫·韋伯的早期引力波探測器，韋伯的錯誤探測是一個更大的故事的一部分，最終導致了真正的引力波的發現。圖片：Special collections and university archives, University of Maryland libraries

有一些小的硝石可以被發現。書中暗示在愛因斯坦提出狹義相對論之前，閔可夫斯基發明了時空概念相反的是正確的。很多空間都致力於失敗的實驗，有兩個完整的章節將會涉及到BICEP2的結果。還有一些奇怪的疏漏。對於約瑟夫?韋伯(Joseph Weber)提出的所有細節，他忽略了微波專家喬治?伽莫夫(George Gamow)對「大爆炸之父」(George Gamow)能否利用他的專業知識來幫助他的故事。雖然伽莫夫回答說「不」，但事實是設計一種探測宇宙微波背景的方法是非常合適的！

物理學家格倫·雷布卡(Glen Rebka)，在哈佛大學傑斐遜大廈(Jefferson Towers)著名的普里-瑞貝卡實驗的設置過程中打電話給龐德教授。圖片：Corbis Media / Harvard University

同樣令人震驚的是，在概念上非常簡單的普里-瑞貝卡實驗，被這本書嘲笑為過於複雜而無法描述。然而所有的實驗都是在低海拔引起了核實驗發射，並注意到相應的核吸收並沒有發生在更高的海拔，這大概是由於愛因斯坦所預言的引力紅移。然而如果你給低海拔髮射器一個能量，通過將它連接到一個揚聲器上，額外的能量將平衡在引力場中向上移動的能量損失。結果到達的光子有正確的能量，吸收發生。令人費解的是像引力探測器這樣複雜的東西被詳細地討論過，但是一個簡單的實驗可以在一兩段中解釋得很好就太困難了!

一位藝術家對這三艘LISA航天器的概念圖，由較長時間的引力波所產生的空間漣漪應該為宇宙提供一個有趣的新窗口。LISA在幾年前就被美國宇航局取消了，現在由歐洲航天局建造，來自NASA的支持只提供部分。圖片：EADS Astrium

話雖如此，時空中的漣漪仍然是壯觀的，容易閱讀。它既輕快又深入，一個美妙的組合，當你經歷了那些已經證實了引力波存在和特性的發現之旅時，你就會在今天結束，在那裡未來的可能性顯然是在你的腳下。脈衝星正時陣列開啟了探索波長較長的引力波的能力，而沒有干涉儀可以測量，事實上可以看到BICEP2所尋求的波的類型。未來的地面觀測站將新增LIGO陣列，並且已經在建設。LISA正在路上將在太空中探測引力波，以及超大質量黑洞產生的時空漣漪。在未來用我們的技術來驗證與光學和其他以光為基礎的天文學有關領域。