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引力波是否存在有爭議!據說愛因斯坦本人也曾

本文发布时间: 2016-Feb-23
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據《連線》網站報道,“沒有引力波…沿著X軸正方向傳播的平面引力波因此可能被發現…引力波不存在…引力波存在麽?結果是存在嚴格解…”這些話都是阿爾伯特·愛因斯坦說的。有20年他對引力波的態度都是模棱兩可,他在1915年創立的廣義相對論預測到了這些時空構造中的波動,但他一直不能確定。雖然這種理論的概念非常簡潔——認為引力是“時空”中的曲線效應——但其數學計算過程卻非常復雜。上周這個疑惑終於解開了,先進激光幹涉引力波天文臺(LIGO)的科學家們宣布,他們探測到了超過10億光年外劇烈合並的2個黑洞發出的引力波。收集這種信號——被稱為啁啾的時空中微弱的一陣收縮擴張——要求非常精妙的技術手段。為了確定引力波不僅存在,而且要了解引力波從黑洞發出跨越宇宙來到地球後是什麽樣的,科學家們花了100年時間。阿肯色大學理論物理學家丹尼爾·肯尼菲克(Daniel Kennefick),在當研究生時就與LIGO聯合創始人基普·索恩(Kip Thorne)合作,以證實廣義相對論的預測。《QUANTA MAGAZINE》就此采訪了肯尼菲克,以下為采訪內容的部分摘要:問:2月11日宣布發現引力波,你激動嗎?答:我不能相信有多激動,很偉大,因為歷史上這個領域很受爭議,但這是無可置疑的探測。他們不是像很多人預測的那樣從噪音中挖掘信號,而是靠眼睛在數據中真正看到。從理論物理學家的觀點看,令人激動的是這些理論預測如此接近事實。問:你如何看待引力波研究的歷史,是什麽導致此刻的成功?答:無疑其中一大特征是存在爭議——一系列的爭議。科學家爭論引力波是否存在,是否攜帶能量,是否以我們希望探測到的方式存在,你測量到什麽或只是自娛自樂?首次提到引力波的是愛因斯坦,但他自己也說不存在。引力波是非常大膽、勇敢的概念,100年前就開始進入人們的頭腦中,然而一直被認為虛無縹緲。總是在解答了一個問題後,又出現一個新的問題。問:1936年愛因斯坦又改變了想法,認為引力波不存在,為什麽會這樣?答:愛因斯坦和他的助手納森·羅森(Nathan Rosen)著手尋找精確的(而不是近似的)引力波答案,但他們發現了問題。無論他們如何努力建立坐標系,他們總是發現時空中某個地方存在“奇點”,意味著無法在這個地方分配一個數字表示波有多大。現在發現真相是,這個奇點只是坐標奇點,不是引力波的問題。拿北極點舉例。如果我問你北極點的經度是多少,你會說“所有經度線都經過了北極點”。我們的單位制在那就不能用了,但這不代表北極點不存在,也不代表你不能達到北極點。在物理學上北極點是存在的,因此愛因斯坦和羅森困惑了。他們認為,既然那裏有個奇點,就證明引力波不存在了。因此他們寫了論文給《Physical Review》,審稿人寫了10頁的報告指出可能有錯誤,並退回了稿件。愛因斯坦對此非常生氣,就收回了論文。問:一些人開始證明,即使引力波存在,也不可能感覺到。答:1955年納森·羅森試圖證明引力波不帶能量,因此只是形式上的數學構造而沒有真正的物理意義。思考這個問題的好方法是,如果我在海洋上,遇到大海浪,我可能意識不到,因為我會隨波逐流,起起伏伏,因此周圍的一切也是如此。如果引力波也像大海浪一樣,是否會真的與我們互動,或者我們只是隨著引力波起伏?在上世紀50年代這存在很大爭議。問:最後問題是如何解決的?答:1957年羅森在北卡羅來納州查珀爾希爾的一次會議上提出自己的論據,幸運的是菲利克斯·皮拉尼(Felix Pirani)也參加了那次會議。他決定看看廣義相對論如何起作用,使用非常實用的方法解決了坐標系的問題,他展示了波在經過時可以來回移動粒子。理查德·費曼(Richard Feynman)聽了皮拉尼的談話後,表示:“既然我們知道粒子會移動,我們要做的是想象一根鐵棒,在鐵棒上我們放一些珠子,當波經過時,珠子會來回移動,但鐵棒將保持僵硬,因為鐵棒的電磁力會努力使原子和電子保持原位,因此珠子會拉鐵棒,摩擦產生能量,能量必然來自引力波。我的結論是這種波有能量”。這就是著名的“粘珠”思想實驗,讓很多人相信羅森提出的懷疑沒有任何理由。然後喬·韋伯(Joe Weber)等人開始努力探測引力波。問:但人們依然不知道是否存在可以探測到的足夠強大的引力波天體物理源,對嗎?答:對,愛因斯坦寫到,任何人都不大可能發現行為受到引力波可測量影響的系統,他指出,來自典型的雙子星系統的波幾乎不攜帶能量,我們從未註意到這個系統已經改變。我們能看到來自黑洞的引力波,原因是它們之間的距離比雙星更近。這些黑洞很微型,所以可以靠得足夠近並相互圍繞著非常非常快速地運動。由於愛因斯坦不相信黑洞的存在,因此他就無法知道能以這種你能看到引力波的方式運動的系統。問:卡爾·施瓦茲柴爾德(Karl Schwarzschild)在1916年發現了愛因斯坦方程的黑洞答案,同年愛因斯坦預測到引力波。為什麽後來愛因斯坦卻又不相信有黑洞?答:黑洞本身存在很大爭議,有著復雜的歷史,LIGO的探測是首次真正完整證明了黑洞的存在。1916年愛因斯坦認為施瓦茲柴爾德只是發現了簡化的物理學:如同有人將地球看作一個質量點(質量壓縮至一個點)以簡化研究,他們認為“施瓦茲柴爾德答案”——我們現在稱為黑洞——為了方便研究將太陽作為一個質量點處理。他們認為這並非真實的事情。到1930年代,人們開始逐漸知道,“不完全清楚這個理論阻礙了人們”。如羅伯特·奧本海默等人開始證明,恒星可能自己坍塌變成像“施瓦茲柴爾德答案”的東西。1960年代約翰·惠勒(John Wheeler)的團隊,基普·索恩是他的學生之一,從事了這種工作,他們和其他人發展起來黑洞理論。


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2019-May-31 06:03pm
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