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【合作科普】写张大纸好过年:嗨,我听到了宇宙的涟漪
4,120字理工引力波LIGO来点干货科普50次阅读0条评论

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文章作者正交锦鲤、矩阵良,灵魂画手矩阵良,首发于环球时报微信公众号

昨天,一条“激光干涉引力波天文台(LIGO)发现引力波,置信度高达5.1σ”的消息传出,然而,这条消息是不是让你陷入了“每一个字我都认识但连在一起怎么就看不懂了?”的迷茫?莫方,要圆。今天,让两位红领巾作者带你读懂这条消息背后的含义……

春风送暖入屠苏,在一片过年的团圆气氛中,两位笔者刷微博忽然看到了这样一条消息:

[Weibo]
[▲哈佛史密斯天体物理研究中心研究者苏萌透露“内部消息”:激光干涉引力波天文台(LIGO)发现引力波,置信度高达5.1σ)]

一时间两位笔者开心地四处奔走相告,然后换来了非物理爱好者的亲友们一致的省略号回复……真是令人伤心。

好吧,寻找引力波这桩物理学界的“心头大事”,还是很值得说道说道的。

引力波到底是个啥? 

根据维基百科,在物理学中,引力波就是弯曲时空中的涟漪,从引力源向外不断以波的形式扩散传播——好的我知道你们开始看得头疼了,放松,放松,看不懂没关系,下面灵魂画手矩阵良同学用一张图告诉你:

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寻找引力波:旅途上荆棘与荣光相伴

LIGO这次可算结结实实来了一发大新闻,这份新年礼物分量无比足实。而引力波,作为广义相对论最后一个被直接证据证实的预言,毫无疑问是一个磨人的小妖精——在LIGO以前,有一个同样轰动一时的“发现引力波”事件,最终却以乌龙收场了。

来,我们来回顾一下:

北京时间2014年3月18日凌晨,美国哈佛-史密松天体物理中心召开新闻发布会,宣布了一项重大发现:他们在宇宙微波背景辐射中找到了由引力波留下的B模式极化信号。

好吧,我知道,每一个字都认识。简单来说,BICEP2团队通过找到宇宙微波背景辐射中的B模式极化信号(人话:某种理论上只能属于引力波的标志),认为他们找到了宇宙大爆炸产生的引力波,从而为暴胀理论(人话:无数解释“宇宙是从哪儿来的”的模型中颇有说服力的一种模型)提供了第一个直接证据。

上面一整段翻译成人话就是:通过这个伟大的发现,我们可以断言,宇宙的过去很大可能是像暴胀理论讲的那样,HailGuth!

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[▲古斯万岁——阿兰·古斯是暴胀理论的创始人之一,来一张帅照(图自MITDepartmentofPhysics)]

不过,先别高兴得太早,BICEP2团队的这篇论文从发出的一刻开始就不断遭受批评,有专家指出这可能是银河系尘埃导致的噪声,而不是来自原初引力波。到了同年6月,经过同行评议以后,这群科学家们最终在论文中承认,不排除收到的“标杆信号”是完全由银河系尘埃导致的这种可能性。

也就是说,又是一场乌龙。真是令人唏嘘……

这也是为什么LIGO带着早春暖意的消息如此让人振奋的原因——LIGO观测到的信号与BICEP2观测到的信号来源不同,方法也不太一样,LIGO观测到的信号来自黑洞合并,而BICEP2寻找的是宇宙大爆炸留下的原初引力波;换言之,LIGO是“直接观测”,而BICEP2通过寻找宇宙微波背景辐射中的B模式极化信号来寻找引力波。最最重要的是,LIGO的置信度达到了5.1σ(强行科普:5σ以上的置信度才可以被认为是“发现”。四年前闹得沸沸扬扬的“上帝粒子”希格斯玻色子被发现,置信度就达到了5.2σ呢,直接把希格斯老爷子送上了诺奖领奖台)

如果到这里你还没有晕的话,请挺住,下面我们要开启一个难度稍高的科普副本……放松,放松,不会比高考语文更难的。当然你实在不想看的话,往下翻翻,文章第三部分有安利出没。

我们先不谈LIGO,来谈一个更亲民一些的装置:迈克尔逊干涉仪。如果你还隐约记得高中物理课本上那可怜的散落在“资料卡片”“拓展阅读”里,老师还不讲,考试也不考的近代物理知识的话,你应该记得,狭义相对论的想法得益于迈克尔逊-莫雷实验,而这个实验里,有这样一个干涉仪:

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[▲这是灵魂画手小良同学很久很久以前涂过的一个科学实验系列图中的一张,临时上缴充公]

一束光通过半镀银镜被分成两束,通过互相垂直的两个平面镜反射,最终两束光在光检测器中汇合,由于光从两个不同方向走过来的路程相等,光检测器上会产生彩色的干涉条纹。

挺简单的一个装置对不,但是妙就妙在这个装置垂直的两条“臂”上。不要怕,大着胆子想一想,如果空间本身在某一个方向上收缩了,那光会怎么办?

毫无疑问,其中某个方向上的光程会发生变化。也就是说,被分出来的两束光,走过的路程不一致了,于是,光检测器上的彩色干涉条纹将会发生明显的变化。迈克尔逊同志用这样一种方式,将不同方向上微小的变化放大成了一个明显的现象,简直是天才。

——当然,不得不提的是,当年迈克尔逊-莫雷实验是以失败告终的,而这几乎是物理学史上最伟大的一次失败:它直接导致了狭义相对论的诞生。

回到我们的正题。LIGO,可以被看作是一个巨大的迈克尔逊干涉仪。

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看见那两条长长的“臂”了吗?这两条臂几乎完全相同,激光被分开后在两条臂中来回反射,最终回到主楼产生干涉条纹。而引力波经过时会带来时空扰动,使两条臂的臂长发生细微的变化。由于两臂成直角,这种效应会被放得更大。

好啦,科普副本打完了,我们来放松一下。如果你的英文挺好,不妨来LIGO官网看看这个小短片涨涨姿势:

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[▲引力波干涉仪小短片,英文不好也可以纯看图嘛……(图自ligo.caltech.edu)]

从LIGO说开去……

物理学家:春节前科学界最有意义的号外!LIGO首次直接观测到了引力波!(青蛙乱舞.gif)

吃瓜群众:……(这人在干什么)(不是很懂你们学物理的.jpg)

LIGO的新发现固然是一个令人振奋的消息,但振奋过后,两位笔者还是想和大家认真地聊一聊:为什么我们要看点儿科技新闻,以及,为什么我国要无视“西部人民在吃草”(这是反讽)的现状,开启一系列基础科学的大项目、大工程。

先让我们来卖个安利:中国物理界的“神器”都有啥?

⒈巨型加速器——为了前沿!

大家知道,2012年物理学界发现了希格斯粒子,补上了标准模型的最后一环,而2013年诺贝尔物理学奖就颁给了当之无愧的彼得·希格斯。

希格斯粒子是标准模型最后被发现的一部分,可以说是意义重大。标准模型作为一种被广泛接受的理论,可以用来解释许多物理问题。但是,有许多证据表明,标准模型并非物理学家寻找的“最终答案”。当年,希格斯粒子就是由欧洲的大型强子对撞机(LHC)发现的,而我们又知道,高能物理在标准模型完成后并不会轻易狗带,那么,继续建设更大的粒子对撞机绝对是必要的。

中国在2012年提出了“两步走方案”来建设这个巨型加速器:“两步走方案”计划在2020-2025年间先开工建设能量为250GeV的高能正负电子对撞机,大量产生干净的希格斯粒子,并寻找新物理可能出现的迹象。如果一切顺利,有新物理的迹象,且质子对撞机被证明是有必要建设,且关键环节超导线技术取得突破的话,2040年左右再开始建设质子对撞机。如结果不如设想,则另作考虑。

相当省时省力省钱的一个方案,对不对?

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⒉大亚湾——过气网红也要有第二春

大亚湾中微子项目成热点,其实就是在不久之前。

2016年基础物理学突破奖授予了由王贻芳领导的大亚湾反应堆中微子实验等五个团队,这个奖项与诺贝尔奖比起来,分量也着实不轻,中国科学家们能获得这样一个奖项,证明了中国基础研究的实力。而在2012年,大亚湾的科学家们就发现了新的中微子振荡,这一发现被美国《科学》杂志评为2012年度十大科学突破。

中微子是什么?1930年,奥地利物理学家泡利为了解释实验现象,预言了中微子的存在。后来,中微子的存在被实验证实了。这个理论的发展并不一帆风顺,从一开始的太阳中微子失踪之谜,中微子就给了科学家们许多机遇和挑战。中微子振荡可以说是第一次,也是最确切的一次,说明标准模型远远不够,我们需要更加深入的物理研究,来揭开这个世界的面纱。而中国的大亚湾,就站在未来研究的浪头上。

大亚湾的“走红”还在眼前,十二月份就被暗物质探测卫星抢了风头,大亚湾的心里想必是痛并快乐的吧!

⒊天琴计划——浪漫的琴弦

与中科院高能所主导的大亚湾项目和种种对撞机相对比,中山大学天文与空间学院主导的天琴计划其实更多的与我们的主题相关,因为天琴计划的目的就是探测引力波,以及研究一系列引力波天文学相关的课题。(笔者之一的锦鲤同学就在中山大学读书,她对天琴计划非常之骄傲。)

实际上,中山大学在上个世纪的七八十年代就展开了引力波的相关研究,研发出的共振型引力波天线在质量上达到了当时的世界前列,而此次的天琴计划,也可以看做是一段绵延近半个世纪天文学研究传奇的后续,这虽然是一个天文学项目,但是,天琴计划更像是一首浪漫的歌,献给无数代人为之努力的物理学事业。

说到这儿,大家心里肯定会疑惑——引力波刚刚不是被观测到了吗?那么天琴计划不就是白准备了吗?第一次探测到引力波的团队并非中国人的确是个遗憾,但这次的事件并非给引力波宇宙学画上句号,相反,它开启了引力波天文学的序章。序曲由美国人奏响,谁说中国科学家不会在其中出彩呢?

……

说了这么多,这些看上去跟我们的日常生活毫无关联的项目与工程,到底为什么如此重要?

仅举一个小例子:你知道互联网(万维网)最开始是从哪里来的吗?是CERN(欧洲核子中心)的科学家们搞出来的,而这项几乎可以成为开天辟地的发明,在当初仅仅是LHC(欧洲大型强子对撞机)的一个副产物。

而在学术上,LHC建立以后,欧洲物理学杂志EPJC的影响因子翻了好几倍。

为什么重要?

因为我们需要把技术进步的主动权牢牢地攥在自己手里。

物理学之所以是一门科学,除了因为它有诸多符合数学的理论以外,更因为它的每一项预言,都需要用实验来检验——比如这次LIGO发现引力波,事实上就是在检验广义相对论的正确性。能够经受住无数次重复实验检验的理论,才能称之为“科学”。

上文提到了建加速器非常重要,但是,无论是欧洲还是美国,都对建更大型加速器的事儿都感到尴尬,为什么?答案很简单,欧洲和美国,都缺钱。

于是,所有的目光都汇集到了“财大气粗”的中国,指望中国能当“冤大头”。

但是,别急,中国政府和中国科学家也不傻。他们委婉地表示,建是要建的,但什么时候建,建哪种对撞机,多大规模,决定权都在中国人手里,中国人不会干为别人做嫁衣的事儿,有朝一日如果真的建成,第一手的数据也是要送到中国人手里的。

讲白了就是:建加速器可以啊,但我出钱那就得听我的……

新年将至,借着LIGO发现引力波的东风,我们也希望大家能将目光短暂地停留在中国的这些低调而伟大的项目上。笔者之一小良曾在院长的导论课上听院长讲过这样一席话:“你们学物理某种意义上并没有什么实际用处,但你们要相信,你们是代表全人类的智慧向上帝提出挑战的一群人。”

我们相信,未来引领科学进步的漫漫长路上,中国人的身影会越来越多,越来越高大。毕竟,我们的目标是——星辰大海!


特别感谢以下学长前辈和朋友们提供的巨大帮助:

曹俊,李世昂,黄发朋,XANCI,熊斐影,张婷婷


感兴趣还可戳:

她们说:我们的征途是星辰大海!

End.
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