他,如何为引力波探测“大戏”做“编剧”
先来认识下引力它无处不在,主导了宇宙和星系引力是人类最早定量认识的相互作用牛顿发现引力后的几百年,物理学进展很多
探到有多难?
为何没选择发表在《自然》上?
胡一鸣是德国马普引力物理研究所、清华大学博士后,作为ligo科学合作组织成员,参与了此次引力波的探测,目前他身在德国
对此,引力波论文作者之一、ligo科学联盟核心成员、加州理工学院物理教授陈雁北解释说,物理上的发现和研究结果发在prl上比较合适“物理上挺重要的研究结果都是发在prl上,它跟《自然》和《科学》有所侧重prl是一个很好的物理期山西晚报数字报纸刊,而引力波是一个很重要的物理发现,所以我们决定发在这上面”
胡一鸣说,ligo科学合作组织非常地严谨只有当握有强有力的证据,才可以做出超出常人想象的论断
上世纪70年代,索恩遇到麻省理工学院教授、后来的ligo项目联合创始人赖纳·韦斯,后者提供了激光干涉等试验想法随后,索恩说服加州理工学院支持引力波探测研究,并挖来不少牛人共同从事试验上世纪90年代,索恩等人把美国国家科学基金会也拉了进来,引力波探测成为该基金会资助力度最大的一个项目
如此重要的发现,为何要时隔半年才确认发布呢?
ligo科学合作组织的研究成员、加州理工学院物理学教授陈雁北在上世纪90年代曾是索恩的学生他接受记者采访时说,索恩是推动引力波探测研究山西晚报合作、搭建整个研究理论框架、促成这一领域研究“大生态”的关键人物,是美国引力波探测项目公认的“代言人”
75岁的基普·索恩是美国物理学家,他曾为科幻电影《星际穿越》编剧
对于引力波的发现,陈雁北说:“我相信爱因斯坦看到今天的结果,一定也会吓一跳,尽管他会因自己在广义相对论、量子力学、激光等多个领域的贡献感到欣慰,但百年来物理学已获得前所未有的发展对于人类今天的成就,爱因斯坦一定无法想象”
广义相对论论证的一个重点就是,引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲1916年,爱因斯坦又在广义相对论框架下发表论文,论证了引力的作用以波动的形式传播这就是引力波的由来
“其实当时信号到达后3分钟就被程序发现,但是因为那个时候还没山西晚报发行部电话有正式开始观测,所以大家并不期待探测到信号,回过神来第一个发现这次探测时已经是半小时以后了”胡一鸣在访谈中回答说,“尽管如此,我们内部恪守规则,在没有万分的把握之前,严禁任何成员向任何组织外的个人透露消息”
但人类对自然科学的探索终将向前尽管汇集全球几代科学家心血的胜利,绝非一人之功,但索恩对引力波探测项目的“编剧”,无疑是这一“历史大剧”获得成功的重要因素更重要的是,索恩的故事,讲述了科学探索、学术研究应有的精神
正是这样独立、自由的研究方式,促成了引力波探测各相关领域研究的大发展
胡一鸣说,这张捕捉引力波的网,叫做“advanced ligo”(高新激光干涉仪引力波天文台)
▲2月11日,在美国首都华盛顿举山西晚报数字报行的新闻发布会上,美国“激光干涉引力波天文台”(ligo)的联合创办者基普·索恩(前右)与雷纳·韦斯(前左)拥抱在一起
此外,索恩撰写的科普书籍被翻译成多国语言,其公众科普演讲节目在媒体上反复播放,他帮助创作科幻小说,推动着新的研究方向……正是索恩等人的努力,让全世界无数年轻人开始对黑洞、引力波、相对论、时间旅行以及虫洞等话题着迷
不过此后,爱因斯坦也再未给physical review写过文章
这个“很厉害的本事”也让索恩在科普领域贡献非凡他很早就曾对学生说,希望能参与制作一部关于引力波和黑洞的电影,以激发更多年轻人投身自然科学探索2009年,从加州理工学院退休的索恩,果真参与了科幻电影《星际穿越》的编剧和拍摄,成为山西晚报电子版下载好莱坞“非著名演员”
过去几十年间,加州理工学院物理系的研究生几乎都上过索恩的《经典物理学应用》课程“这门课深受欢迎,我们能在物理学各个方向受到启发”,陈雁北回忆说,“他非常善于抓住问题的本质,能把复杂深奥的东西,深入浅出地讲清楚”
眼见为实,人类只相信真实探测到的遗憾的是,人类百年来一直不能探测到引力波的存在为什么?
由于引力波产生的效应很小,如果不主动去除外界干扰,不可能从“背景波动”中分辨出引力波信号地震波、火车噪声、观测设备本身的极微小活动等都会构成干扰
在向全世界宣布人类首次探测到引力波的记者会上,基普·索恩走上讲台在不少科学家看来,与并不相信引力波可被探测的爱因斯坦相比,这个堪称“引力波探山西晚报在线阅读测”大戏“编剧”的老头儿,更应该站在那里
事实上,索恩并未料到,捕捉到引力波信号的那一瞬,需要人类经历如此漫长艰辛的努力文献资料显示,索恩曾对学生说1980年前引力波就会被探测到,后又与人打赌说,ligo在2000年前定会探测到引力波,但曾在“科学赌局”中赢过霍金3次的索恩,这两次却都错了
这是人类首次直接探测到引力波,也成为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失“拼图”
上世纪70年代,曾有美国科学家在观测双星系统的过程中,发现引力波存在的间接证据,并因此获得1993年诺贝尔物理学奖
为何一直探测不到?
2014年,一个研究小组声称利用位于南极的bicep2望远镜,找到了宇宙极早期引力波留下的独特印记但最终该小组承认他们的研究可能出错,有山西晚报电子报关发现有可能是银河系中的尘埃干扰造成的
可是,技术是飞速发展的一些刚升级的探测器也许能让物理学家一“睹”引力波的真面目,其中之一便是“激光干涉引力波天文台”这个位于美国路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市之间数公里长的观测设施已于几个月前完成改造工作,其探测灵敏度比5年前提高了10倍
尽管牛顿的万有引力定律有着几乎完美的实验验证,但观念上把时间和空间分开考虑而1915年爱因斯坦提出的广义相对论,进一步研究了引力和“时空几何”的关系,认识到引力是一种非常特殊的相互作用这革新了牛顿的引力观念和时空观念
在将于《物理学评论通讯》杂志发表的新研究中,科学家探测到的是由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号——在一山西晚报电子版在线片嘈杂的背景噪音中,一声“噗”的清脆声响,如水滴落水,持续时间短暂得不到1秒它经过13亿年的漫长旅行,于2015年9月14日抵达地球,被刚改造升级的ligo的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到
对于引力波的发现,这篇论文并没有发表在人们通常所知的《自然》或者《科学》上,而是发表在美国物理学会出版的physical re-view letters(prl)上
ligo执行主任戴维·赖茨说,没有索恩,就没有ligo项目正是索恩的视野、激情和推动力,让整个科学界相信引力波可被探测
在学术研究方面,索恩有点“任性”尽管引力波探测是最终目标,但他的研究却貌似“漫无目的”依照个人兴趣,他在非常广泛的领域开展了大量开拓性研究,开创了物理山西晚报数字版学多个分支领域,如双中子星和双黑洞的碰撞过程,量子力学和广义相对论相关领域的计算、数值模拟、数据分析等
论文中,爱因斯坦的结论是引力波不存在,这也是physical review拒稿的原因此后爱因斯坦在意识到自己犯错后,对论文进行了修正并发表在另外一家刊物上
据由海归学者发起的公益学术交流平台“知社学术圈”的作者考证,1936年爱因斯坦向physical review投稿,题目是《引力波存在吗》,在他预测引力波20年之后,爱因斯坦写了这篇论文
◆ligo的技术人员正在美国路易斯安那州利文斯顿市的引力波探测器实验室内工作 新华社发
事实上,爱因斯坦不仅会对发现结果感到吃惊,对于论文的发布也一定会吃惊不小,因为prl山西晚报电子版的前身,aps所出版的physical review,曾经拒稿爱因斯坦关于引力波预测的论文
索恩的头衔很多:美国“激光干涉引力波天文台”(ligo)联合创始人、加州理工学院物理学教授、几代前沿理论物理学家的导师、开创多个物理学分支领域的先驱、科幻电影编剧、科幻作家……
“2015年9月14日,我的邮箱里收到了一封内部邮件,event g邮件里描述了实时分析数据的软件得到了一个显著性极高的候选对象后来,它换了个名字,gw,”胡一鸣解释说,意思是“在2015年9月14日探测到的引力波(gw)”
什么是引力波?
为了证明现实中引力波是真实存在的,科学家们从没放弃过寻找引力波的踪迹近日,加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引 力 波 天 文山西晚报电话 台(ligo)”的研究人员在华盛顿宣布探测到引力波预言百年,苦寻几十年,这是人类首次直接探测到引力波,也成为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失“拼图”那么什么是引力波,引力波的发现,背后又有着怎样的故事?
本版稿件综合新华社、《京华时报》《华西都市报》《新京报》《新快报》
如果你看过刘慈欣的《三体》和美国大片《星际穿越》,那么引力波对你来说,并不陌生《三体》中描述的引力波天线,拯救了人类;《星际穿越》最著名的影评这样写着:“能够穿越星际的,不只引力波,还有爱”
事实上,在今年一月份美国亚利桑那州立大学的物理学家劳伦斯·克劳斯就在社交网站推特上发布消息,称ligo探测器发现了引力波,引发了不小的争山西晚报广告价格论“主要是ligo因为严谨,不能对谣言做出任何回应,谣言满天飞的时候官方的声音不能发声,很是痛苦所以我们希望能够在新闻发布会开始的时候,将正确的信息准确地传递给大众”胡一鸣说“双黑洞的探测是一次惊世之作,在我们没有十二分自信之前,我们不敢轻易发布消息对于大众读者而言,这不过是屏幕或者报纸上的简单几个数字,但是我们所发表的论文中的每一句话,每一个数字,背后都是漫天飞舞的电子邮件的讨论和反复的计算和确认,浸满了科学家的汗水”胡一鸣说,“可以说,我们发表的文章,两句三年得,一吟双泪流”
为何发现几个月后才公布?
过去数十年来许多跨国科学团队都致力于找寻引力波存在的证据,但引力波对于附近时空的冲击因距离地山西晚报广告电话球太远,弱不可见,加深了观测的难度以地球和4.3光年之外的半人马座α为例,被引力波扭曲的太空可能只有一根头发般的变化
引力波是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波100年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外
1970年,年仅30岁、打扮“嬉皮”的索恩成为加州理工学院历史上最年轻的教授他与美国另外两名著名物理学家约翰·惠勒、查尔斯·米斯纳一起编写的广义相对论教材《引力论》,被誉为“引力圣经”
据研究人员估计,两个黑洞合并前的质量分别相当于36个和29个太阳质量山西晚报官网,合并后的总质量是62个太阳质量,3个太阳质量的能量以引力波的形式在不到1秒的时间内释放,释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约50倍
爱因斯坦虽然预言引力波存在,但也曾认为,由于引力波太过微弱,它无法被探测到
今天,索恩在不同年代培养的学生已成为活跃在广义相对论、量子物理、实验物理、天体物理、宇宙学等各领域的专家,引力波探测项目的研究人员也从最初的几十人增加到如今遍及全球的数千人
最重要的是,索恩在长达半个世纪的引力波探测项目中,推动构建了一个全方位的研究“大生态”除了推动研究、试验,促进合作之外,索恩认为教育和科普尤为重要
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