爱因斯坦「重力波」:两个大黑洞撞击融合吹皱一湖宇宙春水

导读 当你用手机看着这篇文章时,为什么感觉得到手机压在手上的重量?如果放掉手机,又为什么会往下掉,叩的一声摔在地上? 不是要你做实验

当你用手机看着这篇文章时,为什么感觉得到手机压在手上的重量?如果放掉手机,又为什么会往下掉,叩的一声摔在地上?

不是要你做实验,答案已经由牛顿告诉我们。地球对手机有一个吸引力叫重力,当用手拿着时,手力抵销重力,所以手机不会掉落;而当放掉手机时,只剩往下的重力,所以手机坠向地球。这就是牛顿万有引力定律。

万有引力定律提出两百多年后,被爱因斯坦起了怀疑,后来他想出了广义相对论来取代或补充万有引力定律。爱因斯坦当初先想出了狭义相对论,也就是从光速不变原理与劳伦兹转换数学模型,推导出时间膨胀与长度收缩现象。但狭义相对论只能适用在惯性座标下,也就是观察者静止或等速前进,如果拿到有重力的地方,马上会遭遇重力加速度而产生问题。为了整合狭义相对论与重力,爱因斯坦想了八年以后,想出了着名的爱因斯坦场方程式(Einstein field equations),也就是广义相对论。

爱因斯坦场方程式

爱因斯坦场方程式,跟万有引力定律一样,短短一行数学符号,却改写了人类对宇宙运行法则的看法。这方程式的白话意义,就是把重力看成时空间(space-time)的弯曲程度;弯曲越大,重力越强,反之亦然。注意这个「时空间」,在相对论里,三度空间与时间被融合起来成为四度时空间。广义相对论说,质量与能量(从狭义相对论看是一体两面)会把周遭时空间弯曲成为类似球体的模样,而这球体的弯曲程度,就是重力。

这是什么意思?得先说爱因斯坦等效原理。想像你正站在静止的电梯里,可以感受到自己的重量压在电梯地板,也可以感受地板反推的力道,这是为什么?就是因为重力,前面讲过了。如果这架电梯变成火箭,被推射到外太空没有重力的地方,然后关掉引擎,这时候你还会不会感受到地板的推力?不会。

但假使引擎启动,让电梯以重力加速度那样的加速度前进,这时你就会再度感受到地板的推力,而且那力道跟站在地球上的静止电梯时一样。等效原理的意思,就是物体加速度所产生的惯性力与引力所产生的加速度,对区域内的观察者来说,是无法区分的。

回到开头的手机。牛顿认为手机有重量,是因为重力将手机拉下,但爱因斯坦说,根本没有重力这回事,手机之所以有一个压在手上的力量,是因为手机正在往下加速运动,却被你的手阻挡了,因此你会感受到手机的推力。也就是说,如果你的手放掉,那么原本正在加速运动的手机,就可以继续前进,往地球飞去,成为自由落体。

为什么手机没事会往地球加速运动?因为根据广义相对论,地球这个超大质量的物体,会将周遭时空间弯曲,这样的弯曲是一种张量,有大小有方向也有变化趋势,而所有指向都聚焦于地球。地球宛如一只蜘蛛,在自己周遭吐了丝网,凡是落在其中的昆虫,都会一步步朝向蜘蛛前进;牛顿认为是蜘蛛拉丝,让昆虫前进,但爱因斯坦说是昆虫自己沿着蜘蛛丝滑向蜘蛛,因为这蜘蛛丝是一种四度时空间张量,指向都是蜘蛛。

既然爱因斯坦说重力其实不是力,而是时空间的弯曲程度,何以会有重力加速度?那是因为在弯曲的时空间里,两点之间最短不是直线,而是曲线,这叫测地线(geodesic),而物体沿着测地线做等速惯性运动,对邻近观察来说,就会像是在直线上做加速运动。也就是说,那只手机本来一直沿着测地线做等速运动,因此你要改变这样的惯性,手就必须施加力气;而手一旦放掉,手机便会继续在测地线上做等速运动,只是邻近的你会以为它在直线上做加速运动。

讲完时空间弯曲与重力,再来就可以说明重力波(Gravitational Wave)。每一个有质量的物体都会造成周遭时空间弯曲,而物体如果运动,这弯曲程度就会改变,但这弯曲程度不会马上影响周遭物体,而是必须以光速前进,这又跟牛顿的看法不一样。牛顿认为重力作用不需要时间,当手机被手放掉,重力马上改变,但广义相对论认为时空弯曲改变必须要花时间,其速度等于光速。于是假使物体快速连续运动,造成时空间反覆弯曲,前脚接后脚,这些改变像涟漪一样荡漾出去,便会形成重力波,将时空间的改变以波的形式传递出去。

三分钟看懂「重力波」!爱因斯坦最古怪、最狂野的推测得到证实 百年相对论预言成真!让科学家都嗨翻的重力波是什么?为何这么重要?

重力波被的雷射干涉仪重力波观测站(LIGO)团队侦测到的新闻,这几天获得全球关注,都说爱因斯坦在1916年预测重力波的存在,其实更早一些的马克士威与庞加莱,也做了类似预测。马克士威是爱因斯坦的偶像之一,他的电磁方程式启发了相对论,而他预测电磁波存在也可以跟爱因斯坦预测重力波存在相互辉映。

电磁波是由带电粒子的运动产生,而重力波则是由物质的运动产生。但马克士威尔在1865年预测电磁波存在,1887年就由赫兹证明,而爱因斯坦预言重力波存在以后一百年,才由LIGO直接证明,这是因为重力波太弱,其侦测比电磁波困难太多,连爱因斯坦都认为不可能侦测。

然而科技进步,实现了爱因斯坦的预言。要侦测重力波,首先要找到够大的重大波。重力波无所不在,只要是具有质量的物体以不对称方式运动,就会产生重力波,比如摇晃手机,问题是没有仪器可以侦测得到。

科学家后来发现,最理想的重力波源头,是宇宙深处的双星系统;两颗质量够大的星球相互绕圈,可以产生强大重力波,尤其是两星越转越靠近,最后撞在一起时,所迸发的重力波最强。这次LIGO侦测的重力波,便是观测到十三亿光年外,两个相互绕圈的黑洞融合霎那所产生的重力波。

这两个黑洞,质量分别有太阳的三十六倍与二十九倍大,才能产生够强的重力波。两个黑洞融合以后,质量只剩地球的六十二倍,少掉的部分便是以重力波形式传递出去。虽然两个黑洞质量很大,所产生的重力波很强,但十三亿光年也是很远,传到地球来已经微弱到几乎无法侦测。而且这样的双黑洞融合时刻很短,可遇不可求,所以说这次LIGO的成功也有运气的成分。

LIGO侦测到的重力波,等于是十三亿年前,宇宙深处两个大黑洞撞击融合,在宇宙这个超大春水里所产生的涟漪。

的雷射干涉仪重力波观测站(LIGO)团队,几天前宣布侦测到重力波,并同步在期刊《物理评论通讯》发表相关论文,引发举世关注与热议。LIGO的I,是interferometer的简写,中文应翻成干涉仪,但国内有些媒体翻成干涉,这是错误的。

干涉仪是LIGO系统里最重要的元件,如果没有它,就侦测不到重力波。什么是干涉仪?就是利用电磁波的干涉现象,也就是两列波形相互叠加后可产生新波形的现象,所製造的观测仪器。LIGO所使用的干涉仪,是物理学家迈克生发明的,他在1887年利用干涉仪进行了着名的迈克生-莫雷实验,证明了乙太不存在。什么是乙太?光波的传递介质,十九世纪物理学界这么认为。迈克生也是最早测量光速的人之一。

干涉仪怎么侦测重力波?先要知道干涉仪怎么侦测电磁波。干涉仪的原理,是将一束打入的电磁波,由半透半反镜,分析成两股相互垂直射出的组成波,两波各自被镜子阻挡反射回来以后,在半透半反镜相互干涉,再由干涉而成的波形判断两波行走的距离。如果两波干涉成原始波形,比如紫光分成蓝光与红光后,反射回来又干涉成紫光,便知蓝光与红光行进距离相等;而如果干涉以后不是紫光,而是偏移成其他色光,那么蓝光与红光的行进距离便有差异。

类似原理也能运用在重力波观测。如果没有重力波,那么紫光被分析成蓝光与红光,反射回来也会干涉成紫光,但LIGO就是在几个月前观测到,突然有一天,两股垂直射出又反射回来的雷射蓝光与雷射红光,没有干涉成紫光,引发观测人员眼睛一亮,赶紧仔细追查,结果发现设在三千公里外的另一处LIGO,也观测到相同现象,而且经过反覆确认,并非背景干扰所引起,于是在几个月后向世人发表了这项成果。这是科学史上第一次直接侦测到重力波。

为什么重力波会让蓝光与红光以不同时间反射回来?因为重力波传递过来以后,会让空间像皮球一样压扁(或拉长)又复原,于是与重力波传递方向平行的光线,其所行进的空间会伸缩,因此光线必须走更长(或更短)的距离,造成反射回来的时间改变,而与重力波传递方向垂直的光线,则没有改变。一股光线反射回来时刻变晚或变早,另一股不变,于是反射回半透半反镜后,无法干涉成为原始光线,而証明了重力波存在。

LIGO的干涉仪,两只手臂各长达四公里,在地面上张开,宛如超大顺风耳,在宇宙这边听到十三亿年前,宇宙那边有两个爱人拥抱亲吻的声音。

重力波的存在,早在1974年便由赫尔斯与泰勒观测到脉冲双星在相互公转时彼此接近的现象,而得到间接证实,如今LIGO的观测结果是第一个直接证据。重力波是爱因斯坦根据广义相对论所做的预测之一,其他像光线偏折、重力时间膨胀与重力红移等,也都得到了实验证明。

LIGO团队观测到重力波,第一时间很多人都说可以得到诺贝尔奖,然而2014年,也有团队声称拍摄到了宇宙微波背景辐射映照在重力波上头的影像,也被科学家祝贺,后来证实只是杂讯。甚至早在1960年代就有人声称观测到了重力波,后来也不了了之。任何科学成就,都需要历经一段时间的同侪检验,才能确立科学地位,重力波的发现亦然。

重力波:爱因斯坦的最后预言(上) 重力波:爱因斯坦的最后预言(中) 重力波:爱因斯坦的最后预言(下)

本文经作者授权刊登,原文发表于沈政男脸书

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