宇宙大爆炸傳奇-25
上次說到愛因斯坦和羅森共同寫了篇論文，否定了引力波的存在，寫完這篇論文羅森就搬回蘇聯(lián)了，去了蘇聯(lián)的基輔大學，那論文這邊的事也就愛因斯坦一個人管了，他就投稿給了當時美國頂尖的物理期刊叫《物理評論》，之前他們也有過合作，愛因斯坦羅森橋那篇論文就是投稿給的他們。要不怎么說美國人和歐洲人不一樣呢？美國人最擅長制度的設計，他們最擅長跟你玩制衡，發(fā)論文都要求背對背審稿。 什么叫背對背審稿？就是審稿人不知道發(fā)稿人是誰，不知道這論文誰寫的，寫論文的人也不知道審稿的是誰。物理評論的主編就給愛因斯坦找了一個審稿的，這主編也不知道愛因斯坦是誰，沒聽說過，他不是歐洲人沒那習慣。歐洲雜志刊登論文那都是看名氣來的，名氣大的就讓登，如果后輩沒有前輩的提攜那就麻煩了，當年愛因斯坦就是普朗克提攜的。德國的物理學雜志也認為，哪怕差一點的文章，哪怕是出現(xiàn)錯誤的文章也總比沒有文章要強。那反過來美國人就不是這脾氣了，特別是這個物理評論，他們要打造高質量的物理期刊，一點都不能馬虎，哪怕像愛因斯坦這樣的祖師爺也不能壞了規(guī)矩。果然別人審稿就找出了一堆毛病，寫了一大堆審稿意見。這個物理評論的主編轉給愛因斯坦的話也很客氣，意思就是您看一眼我們這審稿人說的對還是不對啊？結果愛因斯坦一看這審稿意見就氣不打一處來，心說我一個相對論祖師爺誰還有能力在這方面審我的稿子？他當時就給物理評論主編寫信，表示撤稿不干了，此處不留爺自有留爺處。這主編也沒轍啊，這是程序必須得這么做啊。其實那時候程序也不是太完善，之前幾天都沒審稿怎么到了愛因斯坦這就開始要審稿了，所以愛因斯坦就很不爽。 愛因斯坦轉手就把文章投到了另一個名氣較小的刊物上，叫《富蘭克林研究所學報》。別人一看這小廟來了尊大菩薩，當即就表示愿意給你刊登。愛因斯坦一看這情況，那好啊，就等著印刷出版吧，這時候愛因斯坦來了個新助手，這助手叫英菲爾德。英菲爾德也跟著愛因斯坦搞引力波，他其實還是有點懷疑這東西，引力波這東西應該是有可能存在的，但畢竟愛因斯坦是大神，他也就接受愛因斯坦的意見。后來他就認識了一個朋友叫羅伯遜，這個羅伯遜很厲害，他們就聊起了引力波的事。羅伯遜思路清晰侃侃而談，三下五除二就把他們頭疼的奇點問題給解決了。你們就這么這么辦，選用柱面坐標。英菲爾德一聽馬上就告訴愛因斯坦，愛因斯坦當時其實也回過味來了，他覺得不對勁，這幾天腦子轉過彎來了，然后他跟羅伯遜一討論，立馬覺得這引力波是存在的，這東西可以算出來。于是愛因斯坦就把論文題目給改了，改成《關于引力波》，這態(tài)度是180度大轉彎。但是之前的論文已經(jīng)交給了費城的富蘭克林研究所學報了，別人已經(jīng)在那印刷了，正好研究所學報跑過來送校對稿讓愛因斯坦校對。趁此機會愛因斯坦趕緊往里面打補丁，打完補丁還在最后寫一句謝謝羅伯遜教授，別人羅伯遜那時候才30歲。后來在蘇聯(lián)的羅森看到文章發(fā)表出來之后就傻了眼，這才幾天不見怎么結論就完全不同了呢，心說愛因斯坦你到底站哪邊??？后來羅森一直不認賬，他一直認為引力波不存在，直到后來碰到了個后輩叫費曼，這都是后話了。 那當年給愛因斯坦審稿的人究竟是誰呢？要知道那年頭懂廣義相對論的人就沒幾個，要放美國就更少了。原子彈之父奧本海默肯定懂，但那時候他在加州不在普林斯頓，然后其他人挨個算也都不在，最后目標就落在了羅伯遜本人身上。后來有人就去翻紙堆，查找當年的書信和單據(jù)，發(fā)現(xiàn)當年給愛因斯坦審稿的人果然就是羅伯遜自己，要不然他怎么這么熟。他當時沒告訴愛因斯坦和英菲爾德這稿是自己審的，當然了這物理評論的主編當時給他稿的時候也沒告訴他這是愛因斯坦和羅森寫的，只告訴他這是一個大神級別的人寫的。可事情偏偏就這么巧，羅伯遜跟愛因斯坦是同事，后來還成了朋友。愛因斯坦當年對這事很惱火，審稿意見他都沒仔細看，要不然他就能很早發(fā)現(xiàn)自己的問題了，也不至于后來要羅伯遜去拐彎抹角提醒他，畢竟審稿意見里寫的清清楚楚，自己不看那怪誰去。 H.P.羅伯遜 這個羅伯遜在物理學方面有很大的貢獻，我們知道現(xiàn)在宇宙大爆炸的理論就是FLRW度規(guī)，這些字母全是一些人的名字，F(xiàn)代表弗里德曼，L代表勒梅特，R代表羅伯遜，W代表沃爾克，這基本個個都是大佬。弗里德曼是伽莫夫的老師，伽莫夫最后提出一套完整的大爆炸理論，而且還預言了微波背景輻射的存在。勒梅特是比利時的神父，他計算出宇宙膨脹的時候開心得想給上帝找份工作，他們都是搞相對論的嘛。羅伯遜他們正是在愛因斯坦算引力波這個節(jié)骨眼算出了度規(guī)，也就是說羅伯遜和沃爾克歸納時間點都差不多，這就是整個宇宙大爆炸的理論基礎了。愛因斯坦雖然算出了引力波公式，但這東西大部分時間是被束之高閣的。愛因斯坦覺得這東西太微弱了，根本沒辦法把它測出來。像黑洞這種東西他當時也不認為黑洞有奇點，是真有這個東西，這東西很難去檢測。 一般天文事件發(fā)出的引力波微乎其微，就拿我們太陽系為例，比如說我們最大的行星木星圍繞太陽轉，那這個過程會不會輻射出引力波呢？這是會輻射出引力波的。這個質量為地球300倍的木星輻射出去的引力波有多大的功率？大概也就5000瓦左右。也就是說那么大個木星輻射出來的引力波也就三個烤箱那么大的功率。這功率也太小了，在這么廣袤的宇宙里，3個烤爐的功率分攤一下那還剩啥啊。更要命的是它的周期長的嚇人，要輻射12年。這周期太長了，木星繞太陽一圈是12年。那好，要檢測這個就麻煩了，要想檢測引力波那首先要有兩個條件，首先頻率不能太低，像木星這樣一圈12年的那沒人耗得起，搞幾個周期科學家就退休了這就不行啊，最起碼有個幾赫茲吧，哪怕1赫茲也行啊。然后就是要強度大，你強度不大我收不到啊。要符合這兩個條件的那也就是中子星黑洞之類的了。大質量恒星變中子星或者直接塌縮成黑洞的時候會不會有引力波輻射出來呢？答案是不會。因為球對稱的這個過程都不會產(chǎn)生引力波，要產(chǎn)生引力波那就必須是那種不圓的東西。所以第一個想吃螃蟹測引力波的人就是韋伯，他20世紀50年代就開始搞了，那時候愛因斯坦可能還活著。韋伯就搞了一個大圓柱體，鋁做的，然后在上面就布滿了那種感受應力的晶體。根據(jù)愛因斯坦的計算，引力波那是橫波，按照廣義相對論計算，這是個柱面波，說白了就跟人的腸道蠕動一樣，稍微有點那意思。那韋伯這個鋁圓柱在引力波的扭曲下回產(chǎn)生變形，那么這個晶體就能收到這種信號。不過這個引力波非常弱，而且引力波也很難變成其他能量，只有變成其他能量才能被我們的探測器接收到嘛，因此這個難度更大。電磁波就很容易可以變成其他的能量形式，因此就很容易被我們檢測，而且電磁波要比引力波強多了，這兩者之間強度差了幾十個數(shù)量級，所以這韋伯的探測方法難度也不是一般的大。要探測引力波必須把那個圓柱體冷卻到極低的溫度，要一桶一桶液氦往上澆，不然這個圓柱體的熱運動就足夠把引力波的微小變形給覆蓋，而且引力波探測器一個肯定不行，一個探測器就無法排除什么風吹草動之類的干擾，你跺一跺腳啊有個小地震啊都沒辦法排除，起碼得有兩個探測器，這兩個探測器之間要離的越遠越好，當然了，探測器的數(shù)量肯定是越多越好了，不過最起碼要兩個。韋伯就用了兩個探測器，某天他突然接收到了一個信號，而且是兩個探測器同時接收到的信號，他就特別開心，可惜后來這種信號就再也沒出現(xiàn)過，其他人想做類似的驗證試驗做不出來。那沒辦法，這種不能重復的就不算數(shù)，這招就不靈啊。這是20世紀50年代的事，引力波探測在這個時期是一點進展都沒有的。 韋伯的實驗裝置 到了20世紀70年代終于就出現(xiàn)了一點進展，因為在70年代已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了脈沖星，后來就發(fā)現(xiàn)脈沖星其實就是中子星，中子星的密度極高。后來又發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星，就是兩個高密度的天體互相繞著轉，而且轉的速度非?？?，那么它們輻射出來的引力波就非常強大了，而且頻率高也好辨認。出來混遲早要還的，能量總是守恒的，那一部分能量隨引力波輻射走了，那么脈沖雙星的總能量就要降低，既然能量降低，它們就會越靠越近越靠越近，最后撞到一起。那我們就來算算這兩顆星靠近要多少年啊，這周期有多少改變??？1974年美國的科學家泰勒和赫爾斯就算了一下，這兩顆星每年靠近多少呢？靠近3.5米，周期每年變慢76.5微秒，那它們倆要撞到一起需要花31年的時間。這看來誰也等不到那年頭了，不過還好，這變化雖然小但也不至于測不出來，那就看看觀測的結果和計算結果是不是對的上號的。于是他們就花了30年時間來仔細觀察這對雙星，發(fā)現(xiàn)這觀測結果和廣義相對論的計算結果完全一致，這就是引力波的第一個靠譜觀測證據(jù)。這屬于間接證據(jù)，到后來的1993年，他們就獲得了諾貝爾獎，獲獎理由是因為他們對脈沖雙星的研究。別人諾獎委員會對引力波只字不提，畢竟那時候引力波還沒被直接觀測到，萬一將來驗證出來不靠譜怎么辦？萬一將來有證據(jù)證明引力波不存在怎么辦？那只能提現(xiàn)成的貢獻，就說你們倆對脈沖雙星的研究很出色，所以就把獎給你們了。這事辦的算是很嚴謹，滴水不漏。萬一以后發(fā)現(xiàn)了引力波，到時候諾獎委員會還能把獎給引力波，也不算把獎給錯人，所以這事是非常嚴謹了。而且就在20世紀90年代，人們開始換了一種方式來探測引力波，那就是用干涉儀了。這個前面有說過，說的是美國的大型激光干涉儀，一共兩臺，一臺在東海岸一臺在西海岸，這樣就可以消除誤差，而且有兩臺之后，根據(jù)時差還能算出來這引力波大致過來的方向。然后建了4公里長的隧道，把隧道里抽成真空，抽到真空還不夠，這4公里長度不夠怎么辦，總不能挖更長的溝，那就在兩片鏡子之間讓激光來回反射了400次，這靈敏度就翻著倍往上升，這樣才能滿足精度需求，這就相當于一個1600公里的光路了。工作了一段時間之后一無所獲，因為靈敏度還是不夠，后來又花了好幾年時間來升級設備。 升級完設備剛開機，還在調試階段，設備哐一下來了個強信號，經(jīng)過簡單的濾波之后科學家注意力都集中上去了，這明顯就是一個震蕩信號啊。引力波信號來襲的時候會不斷拉伸扭曲激光的光路，這樣光路會不斷變長縮短變長縮短，哪怕變化只有一個質子的1%它也能察覺到，所以在這次干涉儀就大顯神威，而且運氣也是碰頭彩了。到了2015年9月14日，北京時間的17時50分45秒，在美國利文斯頓與漢福德的兩臺干涉儀就同時測到了一個信號，這個信號叫做GW150914，這說白了就是引力波信號，15年9月14號就是這個事件的編號。從信號的波形上看非常完整，這就是倆天體，他倆越轉越快越轉越快，最后撞到一起了，合并成了一個更大的黑洞，而且這個更大的黑洞剛開始合并的時候距離還不太遠，估計長的像花生那樣，只要旋轉的的東西它不圓，那它就可以持續(xù)產(chǎn)生引力波，但這個引力波和先前兩個天體合并的時候產(chǎn)生的引力波是有區(qū)別的，這個痕跡在干涉儀接收到的波形上就能看出來。到最后這個黑洞變成了一個完整對稱的扁球，因為它在轉所以它的球形是扁的，等到這時候引力波就消失了，因為一個完整對稱旋轉的黑洞是不會產(chǎn)生引力波輻射的。這個黑洞就是科爾黑洞，也是一個旋轉的黑洞，畢竟這倆雙星互相圍著轉，角動量守恒，它倆撞一塊去了這角動量就剩下黑洞在那接著轉，這一切都發(fā)生在0.2秒的時間之內。一個36倍太陽質量的天體和一個29倍太陽質量的天體就這么吧唧一下合并了，瞬間輻射出的引力波包含的能量就達到三個太陽的質量，瞬間輻射功率超過我們看到滿天繁星發(fā)出的光的總和，這三個太陽質量的物質完全變成能量輻射了出去，而且合并之前它們的速度達到了光速的0.6倍，對于這么大一個天體來說有這個速度那是不得了的。我們在粒子加速器里弄那個粒子，把粒子速度提升到光速的零點幾倍那并不稀奇，但是這么大個天體就特別稀奇了。這個干涉儀官方之前對這個事還一直遮遮掩掩好幾個月，各路小道消息傳的滿天飛，圈子里都在傳，但官方就死活不松口，其實就是怕發(fā)生這種烏龍事件。因為之前意大利人就鬧了一次烏龍事件了，說發(fā)生了超光速事件，后來查了半天結果說是什么網(wǎng)線插頭沒插好，這搞的面子往哪放？所以這個事肯定不能發(fā)生，官方也就非常謹慎對待了。這一折騰好幾個月，人們也都在外面小道消息傳，傳了半天才發(fā)布，已經(jīng)是板上釘釘?shù)氖铝瞬殴汲鰜恚钥茖W界都給這事高度評價。隨后在2015年12月26日，探測到了第二個引力波信號，叫做GW151226，并于2016年6月16日公布。 GW151226 之所以科學界給出這么高評價是因為這引力波很重要，那不僅僅是為了證明愛因斯坦老人家英明神武，總有神來之筆啊。首先，愛因斯坦老人家預言的引力波總算被發(fā)現(xiàn)了，這就進一步說明了廣義相對論的正確性。其次是有關黑洞的。以前我們總是推測，比如說我們銀河系中心有個超大質量黑洞，在那么小的范圍里有百億個太陽質量聚集在那，我們想來想去也想不出什么可能性，只有可能中間是個黑洞。但不管怎么樣這仍然只是個推測，它不是直接的，而這次直接觀測到兩個完全不發(fā)光的天體發(fā)生的這次碰撞這次合并，這次并不是靠電磁波，靠的是引力波這個新東西，所以這是天文觀測史上的一次革命。之前我們的目光是沒辦法穿透宇宙大爆炸迷霧的，因為宇宙早期不透明嘛，直到大爆炸以后38萬年中性原子才形成，中性原子形成之后光子才能自由的在宇宙中奔跑，然后才能被我們觀測到。那更早期的宇宙呢？更早期的宇宙我們現(xiàn)在并不能知道，而現(xiàn)在借助引力波我們就可以窺探到大爆炸的初始階段的真容，可以一直窺探到暴脹時期，那已經(jīng)是非常靠近宇宙大爆炸的開端了。所以這就是引力波在觀測方面的意義，它在觀測方面有非常大的意義。那在理論方面又有什么意義呢？那就是既然有引力波，那就必定有引力子，能在真空里任意穿行的東西必定是符合波粒二象性的，也就是從微觀上講既是波又是粒子。光是電磁波，同時它也是光子，那么同樣的，引力波既然存在，那么引力子也必定存在。換句話說，前輩們拼命努力想搞的引力場量子化是必定可以實現(xiàn)的，因為我們的的確確檢測到了引力波。既然有引力波就必定有引力子，這毫無疑問。 盡管到目前為止，各種引力場量子化的理論都還不完善，說哪個哪個理論的都有，家家戶戶也都有自己的難處，但起碼大方向是對的，我們要走統(tǒng)一場，要把引力和其他力都統(tǒng)一起來，因為其他力都可以統(tǒng)一了，唯獨這個引力是個另類。但其實就連引力波本身的計算它就不完善，通過觀測手段就可以校正我們很多對引力波的計算，比如說計算脈沖雙星引力輻射的時候那都是想出來的，啥陰招都用上了，什么牛頓力學啊廣義相對論啊量子場論啊輪著用，好多地方都不得不采取近似運算。引力波運算本來就很復雜，那可以說是超級復雜了，現(xiàn)在傳到地球上我們能檢測出的引力波都是非常非常微弱的，這種非常微弱的引力波反而更好計算，它可以做線性近似運算，那是很好辦的。如果是非常強的引力波反而一個頭兩個大了。如果我們碰到非常強的引力波那要怎么計算呢？那要怎么觀測呢？這根本不用操心，也沒工夫操心，因為要碰上非常強的引力波，波長非常短的引力波，那我們都被撕碎了，我們都沒必要去計算了，我們都完蛋了。 那么關于引力波的一切就是如此，下一期我們要好好談談一個最抽象又最具體的事，那是有關時間的事。請看下回分解。
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