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诺奖获得者基普·索恩:引力波是探索宇宙的理想工具(2)

对这个X射线还有光进行了分析,然后形成了这样的一个图像,在近期将会有这样一个世界望远镜,去呈现在银河系中心的一个巨大黑洞的实际景象,这里面我们已经看到有多个世界望远镜,它会去覆盖世界不同的地点,它们的数据会进行集成、整合。

它就能够看到远方非常非常细小的事物,包括了银河系的这些黑洞,我们怎么做到的呢?这个就是《星际穿越》这个电影当中的黑洞,它怎么出来的呢?其实很简单,光线从这个星际右后方出来,然后绕过黑洞以后进入到摄像头。

这个摄像头会认为,这是从黑洞的上方穿越过来的。那么从下面过来的这个是先下后上,进入到摄像机,它拍出来的是下部方的形象。

另外,由吸积盘直接穿过来的光能够形成星盘的面貌,这样就由摄像机拍出来黑洞是什么样子。

我再回到爱因斯坦关于时间弯曲的定律,他告诉我们,事物总是喜欢停留在它衰老最慢的地方,而且引力能够让他们聚合在一起。地球的质量会扭曲时间,而这个时间的弯曲会产生引力,有这样的引力才让大家安坐在礼堂的座椅之上。

我们能够感到,引力是很小的,它使得地球上的时间每100年才放慢一秒。第一次是高精度侦测是在1976年的时候,当时NASA放了一个距离地球一万公里远的卫星,用它的原子钟进行时间的计算,再与地面上测算的时间进行对比,它的准确性能够帮我们预测爱因斯坦的时间弯曲定律。

越是临近黑洞,引力越强,时间越慢。大家可以看到,这是黑洞的世界。假设有这样一个飞船停在这边,在这样的飞船上,它测的时间就会比地球上要慢一半,如果它继续往下走,接近世界,那么最后时间会慢到停止(跟地球相比)。

在黑洞之内,它比停止还要慢,时间会倒流,一直会降到黑洞的中心,也就是起点,在这个地方广义相对论会失败,会由量子力学来替代,而这个现在我们还不太理解,虽然我们很想理解。

说到底物理学告诉了我们,时间穿越回过去会是怎么样的。但事实上,首先时间滚滚向前,无法回到过去,比如说我们旁边有我的朋友,时间会让你们向一个方向走,而不可能说我向前,而你或者我的朋友往后走,这是物理学完全所禁止的。

另外一方面,广义相对论告诉我们,我们在太空旅行的时候,时间是一直向前,如果在当地来讲的话,有可能在你还没有开始的时候便已经返回了,这是一个很奇妙的事情。

另外,量子物理学告诉我们,你的旅行会导致一个时间机的启动,但是这个时间机在启动之后,一会儿向前,一会儿向后,有可能会受到一个巨大的爆炸而毁灭。

这个爆炸就是因为光线当中的真空不稳定所导致的爆炸。只有量子引力学才能够准确的告诉我们,实际上是怎么样的,这是霍金和我在90年代初的时候,我们一起来做的课题。

我们再回到引力波,就爱因斯坦来看,它使得空间弯曲,以光速旅行。我们有这样的一个例子,它在宇宙当中自由运动,当引力波过来的时候会使得空间伸或者缩,这个时候我们就可以看到所谓伸缩的效应,它可能一个方向拉,另外一个方向压,都有可能。

这就是爱因斯坦对于引力波的理解,在1972年的时候,我开始跟我的同事和学生一起创立了一个理论,我们能够侦测引力波,我们可以想象到引力波对于天文学的意义,我们可以对比电磁波和引力波,过去我们所使用的观测手段都是电磁波,而现在我们可以去用引力波观测宇宙。

引力波,它们是空间形状本身的震动,电磁波是原子分子波的不均匀叠加所释放出来的,而引力波是质量和能量的牵连运动的均匀释放,它里面涉及到了大量的质量和能量,而电磁波是容易被灰尘或者其它的物质吸收或者分散,而引力波即使你临近了宇宙大爆炸,非常热非常密度大的地方也不会被大幅度的吸收或者是分散。

这个就告诉我们说,不同的波会有很大的不同。

第一,引力波由于它是由弯曲的空间所形成的,它是一种去探索弯曲宇宙的理想工具。

第二,它很有可能会引导我们的宇宙观,以及对于宇宙理解的革命,在1972年的时候,我的同事们和我一起提出了这样的一个设想,之后麻省理工的教授们,他们发明了这种激光干涉引力波的观测手段。

假设说,我们有两组不同的激光各自观测,有不同的发现,引力波会把这个镜子往一边来推,另外一边也会有它的镜子,在镜子之间会有升和压,它就会告诉我们到底引力波是有一些什么样的作用,这个是Weiss他提出的,我们后来又想去用激光器来进行测量,我感觉到非常的激动,一旦我搞明白了这个,深刻了解这个思想,以及它成功的可能性,我们就和麻省理工的团队一起去建设这样引力波的观测工具。

1994年是由Barish——他曾来过WE大会,他当时说,这些方法手段有多么的复杂,到底多难才能观测到(引力波),所以他就把这个团队扩大了,这也是成功所必要的。

现在,一共是在20个国家有1200名科学家一起来参与,包括在中国。

在2015年的9月14号,LIGO第一次侦测到了引力波,他们从地球上空穿过,也作用到了我们侦测器所在的路易斯安那,另外也作用到了华盛顿哈佛观测站,这两边我们比较了它的引力波所导致的振动,然后再用计算机去进行模拟,我们认为来源是两个黑洞,他们都要远重于太阳,他们在13亿年以前相互碰撞,在非常遥远的星系,如果我们在那的话,我们的眼睛也会看到。

他们的碰撞融合释放了大量的引力波出来,如此大的能量。在这边大家可以看到,碰撞如果从体宇宙那边看是什么样子,每一个黑洞,时间的放慢由颜色来表示,越是近越是慢。

我们看到,下面是碰撞发生时候的情况,它就像是一个巨大的风暴,就像在海里的风暴是一样的,出现了振荡,引力波就飞散出去了。

可以说世界上所有恒星的能量都加在一起,那么这个续航能量相当于那个的15倍。我们可以看到,在今后的十年,还会由他来侦测到更多的几千次的碰撞。

我们在意大利也曾经观测到了中子星的碰撞,每一个中子星大概直径20公里,大概100倍于太阳的质量,他们碰撞的时候会产生一个巨大火球。

大家可以想象一下,其中25%都会形成电磁波。世界天文学家都会去看中子星碰撞的后果,当然引力波在传播的时候会有几个小时的时差。

那我们到什么地方能够看到?还能看到一些什么呢?我们可能会看到黑洞撕裂中子星,这是一个模拟,大家可以看到是一个非常奇妙的视觉体现,这就是黑洞撕裂中子星的情况。

同时我们也能够探索宇宙的诞生,宇宙大爆炸在引力波当中所产生的东西,都是由量子物理学来控制的。

在这边我们可以看到,会有一个巨大的膨胀,这种膨胀是一种非常快速的宇宙膨胀,尤其是在宇宙形成的早期是这样的。

我们可以看到,会有本初引力波,我们会从中了解到大爆炸以及量子引力学的一些知识。我们也可以知道宇宙膨胀的情况。

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