广义相对论预测出了引力波,为什么爱因斯坦却认为引力波不存在?
你朝水里扔一块石头,会在水里激起涟漪,它是由水的波动形成的,没瞎的人都见过。
但其实这颗石头还激起了另一种你根本无法感知的涟漪,这种涟漪是由时空的波动形成的,并以光速向四周传播。
在它经过的地方,时空会被拉伸,存在于时空中的一切物体也都会被拉伸,而这种涟漪的名字,各位早就已经耳熟能详了——
引力波最初是 亨利·庞加莱 于1905年,基于洛伦兹变换提出的设想, 根据庞加莱的推论,一切物体运动时都会产生引力波,所以你无时不刻不被引力波笼罩着 。
可是引力波这玩意儿吧,即看不见,又摸不着,完全找不到证明它的办法,只是从理论上来说,它好像应该有,而且还无处不在。另一个跟它有相同特征的东西是鬼,所以庞加莱就等于提出了个鬼一样的设想。
10年后,爱因斯坦的《广义相对论》横空出世了,这个伟大的理论更明确地预测了引力波的存在,同时也成功地把引力波炒上了热搜,大量嘴炮……哦不是,大量科学家纷纷参与到了引力波的研究和讨论中。
emmm……反正就是围绕有没有引力波这个问题打嘴仗嘛。
而有趣的是,广义相对论明明白白地预测了引力波的存在,爱因斯坦本人却一度跟自己的理论杠上了。
1936年,他给他的朋友——德国物理学家 马克斯·博恩 写了一封信,说他和 内森·罗森 经过仔细研究后,发现 引力波只是引力场方程中体现出来的一个数学假象,实际上根本就不存在。
也是在同一年,他又在 美国物理学会 旗下的科学杂志—— 《物理评论》 上提交了一篇论文,详细阐述了他和罗森的研究结论。大致的意思就是 引力波一旦形成,就会在自身引力的作用下坍缩成奇点,而不会像广义相对论预测的那样,携带着实际能量在空间中传播。
也就是说,爱因斯坦当时的立场是:虽然我的理论表明引力波应该存在,但我亲自证明了引力波没法存在,你说气人不?
不过这事儿最后没把别人气着,倒是把爱因斯坦自个儿气得不轻。因为他 这篇论文没能通过同行评议,刚发表就被 霍华德·罗伯逊 匿名驳回了 。罗伯逊还在原稿中附上了一份说明,表示论文有错误,让爱因斯坦自己拿回去检查修改,颇有一种你懂个der的广义相对论,好好想想自己错在哪的感觉。
这事儿一出,可把爱因斯坦给气坏了,论文被驳回了不说,还不知道是谁干的,所以他发誓以后再也不在《物理评论》上发表论文了。
好在当时身为爱因斯坦助手的波兰物理学家—— 利奥波德·英费尔德 ,跟罗伯逊一直有来往,于是在他的周旋和调解下,爱因斯坦终于接受了罗伯逊的意见,经过重新计算后,认同了引力波的存在。
当然,爱因斯坦自始至终都不知道罗伯逊就是驳回他论文的人,假如他知道的话……呃……我也不知道会发生什么。
不过 爱因斯坦尽管承认了引力波的存在,却始终认为引力波微弱得根本不可能被探测到 ,而在这个问题上,爱因斯坦其实是对的,就引力波的微弱程度来说,它的确不可能被探测到。
我知道我这么说,一定会有很多人忍不住想问一句,诶,哥们儿,你是不是村里还没通网呢,那玩意儿不是2015年就已经被LIGO探测到了吗?谁说探测不到了?
的确, 引力波目前已经被LIGO先后探测到了两次 ,但这事儿吧,不能说爱因斯坦太低估后代的本事了,只能说那帮搞引力波的物理学家实在是太牛批了,他们是 真正意义上的完成了一件根本不可能完成的任务。
注意,我说的是“真正意义上的不可能”,意思就是我绝对没有夸大其词或故意渲染。
因为很多人都知道, LIGO是由两条相互垂直的4公里长的金属管道组成的 ,而它当时探测到的信息,是其中一根管道在引力波经过的瞬间,发生的 10的21次方分之一 的拉伸。这个数字意味着这条管道当时被拉伸的长度,仅仅只有一个质子直径的1/1000。
质子是组成原子核的亚原子粒子,原子核的体积只有原子的几千亿分之一,而质子比原子核还小得多,那你想想,它的直径的千分之一是什么概念?
如果你实在想不出来,那就这么说吧, 你哪怕站在LIGO的干涉臂旁边大喊一声,它的振幅都比那次引力波造成的拉伸要大出上千亿倍。
这么微小的长度变化,仅仅只是想测量出来就已经难如登天了,而想到了足够灵敏的办法之后,还必须从各种环境干扰中把引力波的信号区分出来,这更是无异于痴人说梦。
举个例子来说, 我把你关在一个木桶里,然后朝木桶上滴一滴水,你需要通过木桶的振动测量出这滴水是何时落下的,而最重要的是,这个木桶被放在磅礴大雨中。
也就是说,你必须想办法在木桶一直被雨淋着的情况下,通过几乎不存在的细微振动把一滴特定的水测量出来——这就是LIGO需要完成的任务。所以探测引力波看起来是多不可能的事情,也就可见一斑了。
正因如此,LIGO计划刚被提出的时候,很多人都表示——
然而就是这种看上去根本不可能完成的任务,在2015年9月14日的那一天,被LIGO完成了——当这个消息被宣布出来的时候,全世界都为之沸腾了。
曾经的天方夜谭,如今成为了现实,人类终于在捕捉引力波这件事情上见到了曙光,随之迎来的是欧洲的 爱因斯坦望远镜计划 、美国的 宇宙 探索 者计划 、日本的 KAGRA计划 ,以及中国的 阿里计划、太极计划、天琴计划 等一系列引力波探测计划的提出,引力波研究从以往的纸上谈兵,一下子迈入了百家争鸣的全新时代。
可问题是,我们为什么一定要费尽心思,且不惜重金地去捕捉这么微弱的信号呢?
当我们仰望夜空的时候,除了明月和那些璀璨的繁星,剩下的就是无边无际的黑暗,然而在这些看似空无一物的空间里,却隐藏了许多人类苦苦追寻的答案。
宇宙自大爆炸之日起,就无时不刻不在发生着一些事情 ,譬如星系的形成、天体的消亡、黑洞的碰撞、乃至宇宙本尊的诞生。
它们有的是刚发生的,有的发生在距今几百万年、几千万年、甚至几十亿或上百亿年前,而 与这些事件有关的信息,并不一定都会以电磁波的形式辐射出来,或者它们辐射出来的电磁波由于种种原因,永远也无法来到地球 。
对于这类事件,我们哪怕建造出再先进的天文望远镜,也无济于事。
这就好比捂住你的耳朵,再把你扔进一个黑漆漆的洞穴里,那么在洞穴的阴暗处发生的任何事情,你都将一无所知。可是一旦有了声音,你就能靠光线之外的另一种信息载体,窥见到这些秘密了。
而 引力波恰恰就有着与声音十分相似的特性,它携带着信息在空间中传播,又很难像电磁波一样被物体阻挡 ,所以它能把许多电磁波无法带来的古老信息呈现给我们,让我们有了窥探更多宇宙事件的机会。
譬如LIGO探测到的首个引力波信号,就让我们知道了 宇宙中不仅存在双黑洞系统,它们碰撞后还合并成了一个更大的新的黑洞 ,而这场发生在13亿年前的古老事件,只有引力波才能告诉我们,因为那是两个黑洞之间的故事,电磁波连从它们身上逃走的机会都没有。
所以研究引力波具有无比非凡的意义,引力波探测技术的突破,以及引力波观测站的建立,就如同让我们在有了天文望远镜这个千里眼之后,又多了一双顺风耳。