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未来15年或20年,引力波将用来研究宇宙最早的时刻

墨子沙龙

在座的有很多年轻人,所以我想开头讲一下我年轻时候的事.我在一个小镇长大,在犹他州,落基山上。我很小的时候想当一个除雪车的司机,因为那时候在我眼中世上最厉害的事就是除雪车推着雪堆成三米高的小山。但是后来在我听过一节关于太阳系的课程后开始对天文学感兴趣。

特别是在1953年我13岁的时候,我读了一本乔治·伽莫夫写的书,书名叫《从一到无穷大》。伽莫夫是一位理论物理学家和宇宙学家也是一位很有启发性的作家。我对此彻底入迷,我爱上了宇宙的理论,宇宙物理学还有统治这个宇宙的定律,这就是为什么我今天在这里。

可能你们其中有些人听说过,我曾经尝试过把自然定律和这个宇宙的美,通过一部我参与制作的电影传递给下一代人电影的名字叫做《星际穿越》,我写了一本讲解《星际穿越》中的科学的书来帮助年轻人更好的理解它,这是我为传承给下一代做的一点微小的贡献。

我是从伽莫夫那里领略到的启示也正因如此我才出现在这里。我在加州理工求学,当我到加州理工,也就是加利福尼亚州理工学院,我发现我有些笨。我原以为我年轻在高中的时候很聪明,我的脑子转的比多数其他的同学慢,我要很费力才能跟得上,才能理解,但我还是成功过来了,因为我找到了我自己做事的方法。我意识到我需要对我正在学习的东西理解的更深才可以,如果我想成功的话。

其中之一,也是我成年之后一直保持的,可能之前我的同事都没有见过,就是我自己做笔记,在学习物理上的重要结果时,我用自己的方法去解释它们,然后给出自己对结果的推导和证明。这张不是我学生时代做的笔记而是稍晚一点的,但可以看到我一直在做这件事。我想这个是在1973年,不,这是1977年的笔记。但是我私下里一直保持这个习惯我想可能即使(猜测是一位亲近的人)也没见过这些笔记。

私下里我一直用我自己的语言处理问题,这些是保存在我家中的非常珍贵的笔记我有时候会倒回去读多年前的笔记。所以我想告诉年轻人的是,如果你理解的时候有困难,你可以试着去找自己做事的方法,你自己理解的方法,而不需要与其他人一样。

我之后继续在普林斯顿读博士,在那里我受到了我的博士期间的导师John Wheeler的启发,对中子星和黑洞产生了兴趣。我还经常参加一位伟大的物理学家Bob Dicke的组会,他当时正在进行重力的实验,而我是一个理论学家,不是做实验的,但是每个星期我都去Dicke研究组的组会。我听组会上学生和博士后的发言,包括Rai Weiss,他当时是博士后,讨论他们进行的实验,这样我对实验也有了一些了解。尽管我是一个理论学家,在1963年我参加了一个暑期学校,关于理论物理学和实验物理学的,在法国阿尔卑斯山的莱苏什,在那里我遇到了Rai提到过的Joseph Weber。

他当时正在引力波探测实验的早期阶段。Joe和我在法国的阿尔卑斯山散步,关于引力波我深受他启发。因此几年后在1996年,当我以一个年轻教授的身份回到加州理工时,我决定组建一个理论研究组,有一些跟我一起工作的学生和博士后,主要研究黑洞、中子星和引力波的理论。那时还没有引力波的实验,与我的学生、博士后和同事一起,我开始思考,我们可以从引力波中研究哪些科学,如果我的做实验的同事可以探测引力波的话。直到1972年,我们才不得不开始构想引力波天文学的前景。其中关键的一点,也是这个愿景的基础,是引力波与电磁波如此的不同,而电磁波是天文学家通常的研究手段。

我提醒一下,电磁波包含光、无线电、X光、伽马射线、紫外线、红外线以及微波,这些都是电磁波。它们都是电场和磁场的振动,它们随着时间变化在空间中传播。引力波很不同,它们是空间形状空间结构的振动。引力波会使空间拉伸和压缩就像Rai Weiss描述的那样,在空间拉伸压缩惯性系或者惯性移动的物体时,粒子就会被推来推去,这是与电磁波极为不同的现象。

在天体物理学中,由独立的原子和分子等粒子发出的电磁波几乎总是非相干叠加的,但是引力波是由大尺度运动的宏观物体相干地发出的,大量的物质或能量,所以对于两种波,发射的过程是截然不同的。电磁波非常容易被散射或者吸收,这在它们从发射源传播到地球的时候就会发生,引力波永远不会被物质显著地吸收或散射,即便引力波是在宇宙诞生之初大爆炸的时候发出的,也只会有非常非常小的部分被吸收或者散射掉,因此引力波可以穿透一切东西。因为这两种波的巨大差别。

在上个世纪70年代的时候我们就已经非常清楚,许多引力波的源永远不会被通过电磁波看到,引力波天文学,如果它可以被创立的话,将会给我们带来宇宙各方面的信息在传统天文学中我们是永远不可能看到或者知道这些信息的。现在我们就有一个例子,在所有的情况下碰撞的黑洞都没有发出电磁辐射,在所有的黑洞碰撞中只有引力波,相应地,我们也会期待更多大的惊喜。

因为你可以通过引力波看到宇宙各方面与电磁波不同的特点,引力波因此有潜力给我们对宇宙的理解带来一场革命。在1972年,我的学生和我发表了第一篇关于引力波天文学前景的文章,在同一年,Rai Weiss展示了他的干涉引力波探测器的想法,对此我们当时讨论已久。

他把这个想法发表在MIT的一个内部报告上,而不是发表在标准的杂志上。因为当时他认为,如果有这样一个实验的想法,那应该在得到结果发现引力波之后再发表,当然这意味着他需要等45年左右才能发表。但是他把这篇报告发给了世界各地的同事,在这个报告中他确定了所有主要的噪声源,正是他图片中展示的第一个LIGO探测器所面临的那些问题,他描述了如何处理克服每一个主要的噪声源。然后他计算了如果这样搭建装置引力波探测器的精度和灵敏度如何,然后他把引力波探测的灵敏度同我的同事和我这样的理论物理学家预言的强度相比较,然后他得出结论,如果你可以搭建一个几千米长的装置,也许可以成功。

我听说了Rai的想法,但我也听说它需要测量镜子的移动,精度达到测量所用光的波长的一万亿分之一,也就是10的负12次方,我当时觉得这太疯狂了。因此在我和我博士论文的导师写的著名的教科书《引力》中,我写到,我对此持保守的态度,我没有说这很疯狂,但我说这不是一个有前景的方案。

然后几年之后,我研究了Rai的方法并与他详细讨论,我还与一位伟大的俄罗斯实验物理学家Vladimir Braginsky讨论,我开始相信这确实有可能成功。我的理论界的朋友们和我认为这个领域的未来太激动人心了,因此我决定我应该做所有身为一个理论学家该做的来帮助实验团队获得成功。这就是为什么我今天在这里,事实上我花了我职业生涯70%的时间和我的学生一起致力于此,来尝试帮助Rai Weiss和Barry Barish及他们的团队成功。

第一步是在加州理工建立一个引力波实验的实验组。我们请来了Ronald Driver,一位非常聪明的实验物理学家对Rai的设计进行了很多重要的改进,我们把他从格拉斯哥请到了加州理工来开展实验工作。然后在1984年,Drever、Weiss和我创立了LIGO项目,以加州理工和麻省理工合作的方式,还有国家科学基金会的Richard Isaacson,他是我们项目在华盛顿的负责人负责提供资金以及提出建议。

在之后的几年里, LIGO由Weiss、Drever和Thorne组成的执行委员会领导,这是一个有史以来科学项目中最无能的领导集体,我们没有办法做决定达成一致,也没有办法有效地推进项目。直到间隔一段时间之后,我们请来了Barry Barish加入,创建了现代的LIGO项目并领导它,从而拯救了我们的梦想。

他开展了国际协作,现在有来自包含中国在内的18个国家的千位科学家和工程师参与,包含大约九十个大学和研究机构。这样广泛的合作对成功是必须的,因为为了测量很小的位移,系统有如此多的地方可能出现差错,因此仪器会必定会非常复杂,需要非常大的专家团队,专注于仪器的不同方面,还有数据分析,才能让项目成功。

在谈论未来之前我还想再说一点,对于先进LIGO到大约2020年时它将达到设计精度,我们将会遇到我提过的俄罗斯科学家Vladimir Braginski最早指出的一个现象。1968年,非常久之前,他告诉我们,无论你用什么方式寻找引力波,最后如果成功的话,那很可能你必须去测量一个大的重物的运动,在LIGO中就对应于大的镜子,且具有非常高的精度。你会看到这些重物的表现遵循量子物理而不是经典物理。

我们回忆一下,如果你有一个电子,一个原子中的电子,你永远不知道电子的精确位置,由于量子效应,它的位置会随机变化,我们这里只讨论电子位置的概率。类似的,在达到设计精度的先进LIGO中,镜子质心的位置也有涨落,这正是我们仔细测量的量。我们测量镜子质心的移动,量子效应造成的镜子质心的抖动,与LIGO的精度在同一水平。为了进一步提升性能,正如Barry Barish所说,镜子位移的测量精度需要比量子涨落效应还要小,这是需要实现的。

这意味着第一次人类可以看见人体尺度大小的物体表现出量子力学的行为。它需要发展一种新的叫做量子非破坏测量的技术来解决,这正是量子信息的一个分支,也是上海研究院的一个核心的工作,这里的主要工作之一就是量子信息。量子通信是量子信息一个很大的分支,量子非破坏测量是一个较小的分支,他们挑战用新的方式获取引力波的信息,也即通过测量一个40kg重的量子力学的“粒子”,也就是镜子的质心,而不破坏引力波中的信息。这个技术已经被发展起来,我在这里不打算讲,但是这是量子信息很有意思的一部分。

现在作为结尾,我想谈一下关于LIGO和引力波的科学研究的现状及未来。我们都知道黑洞,黑洞大致是一个球。有一个叫做视界的表面,你没法看到黑洞里的任何东西。因为引力如此之强,以至于可以阻止光从黑洞中逃逸到视界外。如果有两个黑洞,这是一段电脑模拟的LIGO看到的第一对黑洞碰撞的视频。有两个黑洞互相围绕旋转,这里和这里是黑洞的阴影。

这是星野,均匀的一些星星,它们在黑洞后面,但当黑洞旋转时,光线在传到相机或你的眼睛时绕着黑洞被扭曲了,所以你看星野上这个奇妙的图案。环绕着两个黑洞的阴影,现在它们相撞合并了。让我再重放一次。它们相互环绕,发出引力波,螺旋状纠缠在一起,然后碰撞,最后合并。它们产生了非常强的引力波脉冲。

黑洞其实是由变形弯曲的空间和时间造成的。所以如果真的想了解发生了什么,你需要把空间和时间的扭曲可视化。我们可以这样做,我们可以取两个黑洞轨道所在的二维平面,然后我们从更高维度的空间上来看二维的表面,我们称之为超维(bulk)。这就是超维下看黑洞碰撞的样子。

每一个黑洞都像是一个向下到达视界的漏斗,颜色表示的是时间流逝快慢,红色表示时间流逝的很慢,绿色表示时间流逝的速度像地球上一样,箭头表示黑洞的引力牵拉下的空间造成的运动,黑洞相互围绕旋转,上面角落里是时间。它们互相围绕旋转,我这里是慢放的。在它们碰撞的过程中会产生巨大的涟漪,就像是海洋里的风暴一样,然后是合并后黑洞的振动,你可以看到下面的视界里是黑色的,然后引力波就发射出来,这是一个从更高维空间看两个黑洞碰撞的电脑模拟。

我接下来跳过一些我原以为有时间讲的幻灯片。

我想在结尾谈一下LIGO探测器看到的其他引力波源以及未来。我们预期能看到1.5倍太阳质量的中子星的引力波,直径约20千米,他们自旋产生脉冲,也叫脉冲星。中子星表面的小山和内部的不均匀会产生引力波。我们预期能看到黑洞撕裂中子星产生的引力波。我们已经用LIGO看到了两个中子星碰撞的引力波,正如Barry讲过的,我们希望某一天能看到,一个质量巨大的恒星的核内爆产生中子星发出的引力波,以及导致的恒星外部的超新星爆炸,也即超新星的发动机(的引力波)。

预言的宇宙弦可能存在也可能不存在,空间结构中的裂缝,宇宙弦的周长小于π乘以直径,在宇宙早期有可能形成了这些弦的网络,LIGO正在寻找它们产生的引力波。并且会有大的惊喜。事实上我们有四个不同的频段,在接下来15到20年中预计可以进行引力波天文学的研究。LIGO探测周期为毫秒的引力波,名字叫做LISA的任务将会覆盖分钟到小时周期的引力波,我稍后会提到。一个叫做脉冲星计时阵列的技术可以探测几年到几十年周期的引力波。有种叫做宇宙背景辐射极化的现象,可以用来测量亿年周期的引力波。这四个不同的频段相当于传统的X射线天文学,射电天文学、红外天文学和可见光天文学。

在接下来15到20年都会被开启,LIGO是第一个,LISA是由三个用激光互相追踪对方的飞船构成。他们相隔几百万公里,当引力波到来时,飞船会相对运动,就像LIGO中的重物一样,这是欧洲空间局的任务,在中国也有对未来类似可能的任务的讨论,我们期望LISA可以在2030年左右发射,或者稍晚一些。由于探测器更大,所以它可以看到长的多的波长。可以看到大得多的黑洞,几百万个太阳质量那么大的黑洞,以及它们碰撞产生的引力波。

我们也可以看到一个小黑洞绕着一个大黑洞旋转时发出的引力波。这些引力波携带了大的黑洞附近时间和空间的详细几何图像的信息。这是通过观察围绕大黑洞的小黑洞实现的,小黑洞最后会落到大黑洞的视界里,我们预期LISA可以研究这个问题。我们将会绘制大黑洞周围的地图,就像天文学家绘制火星表面的地图一样,我们将通过观测绘制大黑洞周围的时空结构。

当一个引力波扫过地球时,粗略的说,这并不精确但大致是准确的,引力波会加速地球上的时间,然后再减速时间,所以地球上时间流逝的速度相比宇宙其他地方会经历加速再减速的过程。如果观测天空不同位置的脉冲星的无线电波,这些脉冲星的脉冲看上去就像先加速再减速再加速,所有天空中的脉冲星都是同步的。我们预计在接下来几年中,射电天文学家会看到超大的十亿个太阳质量的黑洞的引力波。

最后两张幻灯片。我们期望在未来,在接下来15或20年中,我们将开始用引力波来研究宇宙最早的时刻。

理论认为引力波可以从宇宙诞生传播到现在,而不被吸收或散射。我们预计可以用LISA做的是,在宇宙诞生10的负12次方秒后,会有一个相变,非常基本的物理学定律会改变,被称作电弱相变。在此之前,有一种力叫电弱力,但是不存在电磁力。弱力(一种力程只在原子核范围的力)也不存在,在宇宙年龄10的负12次方秒时,如果这个一阶相变发生,当然我们不确定它是不是,然后就会形成泡泡,就像水中的泡泡,或者水蒸气中形成的水滴。在泡泡中有新产生的电磁力以及新的自然规律,在泡泡外面没有电磁力。这些泡泡会以光速扩张相撞,根据理论会产生引力波。

这些引力波在膨胀的宇宙中被频移,最终在今天会落在LISA的频率区间中,所以LISA将会寻找这些电磁力诞生之初的引力波。LIGO可以看到宇宙在10的负22次方秒时发生的类似的相变,我们对那个时候的自然规律一无所知。

最后,有预言说无论大爆炸产生了什么样的引力波,即使只是引力场的量子涨落,都会在宇宙非常快速膨胀的暴胀时期被放大。这会导致非常丰富的引力波谱,然后会与宇宙年龄在38万年的原初等离子体相互作用,然后会在那个时候的电磁辐射上留下极化的图案,结果就是那个时候留下的微波背景辐射,应该会有我们今天可以看到的极化图案。

能够被研究早期宇宙微波信号的天文学家探测到,他们一直在寻找这种极化,他们也找到了,但是数据中有噪声需要除掉。在我们解读数据之前,一旦这些都做完了噪声也被移除了,我们将会得到引力波谱,它是大爆炸带来的各种现象的综合效应,通过暴胀效应观测宇宙的极早期。我也希望观测到的引力波与理论预言不同,因为也许我们对宇宙诞生的理解并不像我们认为的那么好。

我最后总结一下,400年前伽利略建造了一个小型光学望远镜并把它指向天空,然后发现了木星的卫星,月球的陨石坑,此后400年里,电磁波天文学完全改变了我们对宇宙的理解。就在两年前,LIGO开机运行,发现了碰撞的黑洞的引力波,请大家想想,在接下来400年我们会通过引力波发现什么呢?谢谢大家!

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