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引力波背后的华人科学家,用通俗语言让你秒懂其意义

Jing Ming?? 2016年02月15日 ?? 收藏3

2、探测引力波的意义

注:本节可能会涉及一些别的学科的知识,如果表述不正确,请大家指出。

引力波界大佬之一Bernard Schutz上几个月前退休。四年前,他曾在北京大学做学术报告时发表感慨:我们花了几十亿美元找引力波,还是没找到,有时候我晚上碎觉想想,我怎么能和老婆睡自己床上呢?我TM应该睡监狱里啊。

听着大老板的这番话,当时在座很多人人包括我都会心一笑,多半把他的这番话当成是玩笑话。但是后来自己进入了和这个研究领域,成为他团队下的一份子后,才真正明白引力波探测的艰难。善良的科学家们,花着大把纳税人的钱去找引力波,半个世纪过去了,我们依然“一无所获”,有点愧疚也是情有可原。

引力波探测对于物理、对于我们加深对这个宇宙起源、这个时空本质的理解是非常非常重要的。它的初衷可能只是验证、或者否定相对论的正确性,但是他的物理意义是远远超过这个。毫不夸张地说,未来由引力波探测带来的新的发现,拿20个诺贝尔都轻轻松松。在后面的章节,我会具体提到引力波对物理各个方面的意义,为什么我们愿意花几十亿美元(甚至上百亿),去研究、去探测一个看似和我们生活没什么关系的东西。但是在本节,我很想从另外一个角度来说它的意义,我想讲一个激动人心的故事,一个你我都参与其中的故事,一个我们这代人都值得骄傲的故事。

恩,引力波的意义这件事情,我想还是得从138亿年前说起,大家搬好小马扎听我慢慢道来:

138亿年前,那一团体积有限(可以想象成网球大小),密度温度极高的“东西”爆炸了。这绝对是宇宙有史以来最重要的一件事情,因为这次爆炸,不仅诞生了你和我,还产生了时间和空间。大爆炸的那一刻,宇宙,诞生了。

大爆炸之后的整个宇宙是还是一片漆黑。随着宇宙越来越大,温度迅速降低,直到38万年后,温度终于低到一定程度,光子开始退耦。宇宙的第一缕光诞生了!

宇宙的第一缕光便是宇宙微波背景辐射(CMB),这个的发现又是另一个可以让人会心一笑的故事,这里就不展开了。

引力波究竟是如何被探测到的,意义有哪些?

宇宙的演化宇宙的演化

引力波究竟是如何被探测到的,意义有哪些?

宇宙微波背景辐射,你看到的这个就是宇宙的第一缕光,它来自138亿年前,或者说来着138亿光年远的地方。宇宙微波背景辐射,你看到的这个就是宇宙的第一缕光,它来自138亿年前,或者说来着138亿光年远的地方。

“等等”,台下的听众不满意了:“我们是来听引力波的故事的,你扯什么CMB?”大家不要急嘛,宇宙中的任何故事都是一环扣一环,相互联系的。来,下面我们来次时空穿越,从那遥远的138亿年前,来到五亿多年前的地球。

那个时候的地球,热闹极了,有古生物专业的同学对这个应该很熟悉吧。那个时候被称为寒武纪,在距今约5.3亿年前,在2000多万年时间内地球上突然涌现出各种各样的动物,它们不约而同的迅速起源,形成了多种门类动物同时存在的繁荣景象。寒武纪生命大爆发是古生物学和地质学上的一大悬案,目前对为什么生物种类集体出现甚至爆发还没有一个统一的解释。总之,那个时候生物疯狂地进化着,不适应环境的迅速被淘汰,更强的生物取而代之。在这段时间里,有些生物的眼睛进化出来了。下面我们隆重请出本节主角——奇虾小朋友出场!

引力波究竟是如何被探测到的,意义有哪些?

奇虾(Anomalocaris)

肿么样?奇虾是不是很Q很萌?可不要被它可爱的外面所欺骗哦,它身长可达两米,非常凶猛:

引用自百度百科:

它有一对带柄的巨眼,一对分节的用于快速捕捉猎物的巨型前肢,美丽的大尾扇和一对长长的尾叉。它虽不善于行走,但能快速游泳。25厘米直径的巨口可掠食当时任何大型的生物,口中有环状排列的外齿,对那些有矿化外甲保护的动物构成了重大威胁。这是一种攻击能力很强的食肉动物,它的个体最大可达2米以上,而当时其他大多数动物平均只有几毫米到几厘米。

奇虾作为当时海里的霸主,能够统治海洋几千万年,除了他的强大的身体之外,还得益于他头顶那对黑溜溜的大眼睛。要知道,在寒武纪,眼睛才开始进化,很多生物没有眼睛呢(可能只有感光细胞),有些生物虽然有眼睛,但是因为进化不够完全,所以视力很模糊,只能看到隐隐约约地看到环境物体的轮廓,所以当捕食者朝它靠近时,它完全反应不过来。奇虾,作为成功的捕食者,在这场“雷达军备竞赛”中一直遥遥领先,它相对于当时的大多数生物,率先进化出了,可以真正“看到”东西的眼睛!

眼睛的发展本身是一个很复杂的课题,它游一开始的那些感光细胞开始进化,逐步逐步形成了类似于现代生物的那种眼睛。我们姑且把奇虾小朋友作为第一种有“复杂”眼睛的生物。

大家来算算:

138亿年前:第一缕光

45亿年前:地球诞生

36亿年前:地球生命诞生

5.3亿年前:有眼睛的奇虾终于可以看到存在了一百亿年的光

那个时代的生物,从某种角度上来说,是值得骄傲的!他们作为第一批地球生物,看到了那温暖明媚的——光!从此,视觉成为了许多生物,包括人类的最重要的感觉之一。

好了好了,让我们回到物理,回到时空,回到引力波当中来。其实,我在生活中,被很多次地问过:你们探测这个引力波有什么用呢?每次我都可以回答得很好,哪怕对方完全是物理零基础的文科妹子,因为有时候我不讲物理,我讲这个奇虾的故事。

引力波用粒子的角度去理解就是引力子,和光子的理解方式类似。但是不同于光子在宇宙38万年诞生后才产生,引力子早在宇宙大爆炸之后仅仅0.0000....0001(里面35个0)秒就先退耦了,存在于这个宇宙中,这也被称为原初引力波。

之后的一百多亿年的时间里,除了那些原初引力波,宇宙中任何物体只要运动,都会辐射引力波。两个黑洞共舞会释放引力波,超新星爆发会释放引力波,月亮绕着地球会释放引力波,悟空挥动起金箍棒来也会释放引力波,你在路上和心仪的妹子擦肩而过时候,除了你的砰然心动,你,还是在释放着你的引力波。

对啊,你说对了,引力波就是另一种光,这种“光”的本质是时空的波动,但是还是可以把它理解成除了电磁波(光)之外的令一种光。

神说:要有光。

于是奇虾在133亿年后看到了第一种光。

138亿年后

今天,或者说即将,我们就可以看到第二种光!

这绝对是继奇虾同志之后五亿年以来最重要的时代!

这个“即将”是多久?业内普遍认为引力波将在4年内被探测到,同学们啊,才四年,其实就算预计的四年内探测不到,那引力波被探测到也是这个时代要发生的事情。作为恰巧生处于这个时代的每一个人,都应该为这个时代而骄傲,为人类而骄傲,为地球生命而骄傲。这个时代的地球人类,代表着地球生命,可以骄傲地宣布:我们不再失明,我们看到了,我们看到了那第二种光!

这里想插一句,小时候特别喜欢看圣斗士。小学时候经常被里面的什么小宇宙第六感什么的撩得亢奋。是的,引力波探测到了后,人类就会拥有正真的第六感,那种感知时空涟漪的能力。在科学上,人类的这种第六感,无疑是人类的一双“天眼”,可以窥探出许多我们之前看不到的东西,比如大爆炸之后38万年之前的宇宙,比如黑洞的并和等等。有了这双天眼,宇宙的很多奥秘便可尽收眼底!

为什么业内普遍认为是四年内探测到?

我会在后面章节具体说这个,这里先简单介绍下为什么。

说2019年可以探测到是因为引力波的主要探测器ligo在近几年可以完成升级,完成升级之后的ligo具有更高的灵敏度,结合天体物理的各种模型和数据,我们探测到引力波事件可以增加到几十次每年。如果那时还没有探测到引力波,那不是广义相对论出问题了就是天体物理的很多理论出问题 当然也有可能是我们工作没做好;) 另外我想提一下bicep2,其实bicep2的结果被普朗克数据否定也在预料之中。不过就算bicep结果被后来的普朗克数据证实,也称不上是探测到了引力波,只能算引力波存在的一个间接证据。直接探测引力波 主要是靠以ligo为首的几个大型引力波探测激光干涉仪。

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探测器? 微波辐射?

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