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本文转自 “高教学术·公众号” (2019 年 3 月 15 日)。

北京pk技巧想输都难

- 杨探 (河北师范大学) -

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2016 年 2 月 11 日, 美国激光干涉仪引力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, LIGO) 团队宣布, 在 2015 年 9 月 14 日协调世界时 (UTC) 9 时 50 分 45 秒, LIGO 的两台独立探测器 (LIGO Livingston & LIGO Hanford) 先后观测到了一个引力波瞬变信号。

这个消息引起了世界范围内的关注, 爱因斯坦 (Albert Einstein) 在 1916 年预测了引力波的存在, 经过一百年的探寻终于有了结果! 引力波是由加速质量产生的时空的涟漪 (“曲率”), 并以光速从源头向外传播。 爱因斯坦曾断言: 当一列引力波向你迎面走来时, 你会忽而又高又瘦, 忽而又矮又胖, 并且循环往复。

LIGO 团队将这次探测到的引力波信号命名为 GW150914, 它是由两个距离我们大约 13 亿光年外的双黑洞系统并合产生的。 双黑洞系统的两个黑洞初始质量分别为 36 (+5/-4)和 29 (+4/-4) 个太阳质量, 并合后的黑洞质量为 62 (+4/-4) 个太阳质量, 其中有 3 (+0.5/-0.5) 个太阳质量的能量以引力波的方式辐射出来。 并合后的黑洞被称为科尔 (Kerr) 黑洞。

几个世纪以来, 我们主要是运用各种天文望远镜, 通过电磁波、 粒子等观测并了解宇宙。 现在我们很快就能利用宇宙演变的首要动力——引力以及引力波来观测宇宙。 引力波将给我们展现一场前所未有、 叹为观止、 精彩纷呈的宇宙交响乐。

LIGO 团队探测到引力波引起了媒体和公众的极大兴趣, 由卢昌海老师著的《时空的乐章——引力波百年漫谈》这本书写给对引力波充满好奇的人, 不论你是否接受过严格的科学教育都能从中收获颇丰。 《时空的乐章——引力波百年漫谈》这本书用精准而又通俗的语言为我们解读了一系列问题: 引力波究竟是什么? 什么样的物理过程会发射引力波? 韦伯探测引力波用的 “大棒” 是怎样失败的? LIGO 又为什么能成功? 我们如何从探测到的引力波信号中推算出一对黑洞的并合及黑洞的质量和辐射出的能量? 以及探测到引力波的意义和前景。 本书中沿着历史的长河, 追溯到引力的源头, 将引力波的故事娓娓道来。

本书从亚里士多德的重物下落规律开始写引力的由来, 直到现在的引力理论, 横跨了 2300 多年的历史, 既高屋建瓴又层次清晰地展示了引力发展过程。 书中面对深奥的广义相对论理论用了直观通俗, 举重若轻的语言, 环环相扣的理论推演揭示引力波理论的本质。 卢昌海老师为了使读者更好地认识极具抽象的引力波, 计算了太阳系中木星辐射的微乎其微引力波功率, 以及中子星和黑洞辐射出巨大的引力波功率, 用形象具体的例子中巨大的差异比较使读者认识到引力波的强弱可以 “从难以置信的弱到不可思议的强”, 给读者留下了深刻的印象。

卢昌海老师在写作历史相关的内容时, 不但客观真实还有自己的逻辑思考和判断。 书中在介绍 1916 年 2 月 19 日爱因斯坦得出的结论 “不存在与光波类似的引力波” 时, 卢昌海老师根据史实提出了自己的观点, 认为爱因斯坦只是说引力波哪怕存在, 也并不 “与光波类似”, 而未必是全盘否定引力波的存在。 引发读者思考, 加深了读者对这一段历史的认识。 之后风趣且详细地介绍了爱因斯坦在 1936 年否认又承认引力波的过程, 使读者在刚刚读完具有丰富的逻辑推理和数学公式的引力波理论内容后, 得到了很好的放松。

接着本书的内容是关于探测引力波的方法思路以及探测引力波经过的历程, 探测的方法主要有两种: 迈克尔逊干涉仪和共振质量探测器。 书中不是单单只介绍运用迈克尔逊干涉仪原理成功探测到引力波的 LIGO, 而是按时间顺序先介绍了利用共振质量探测器原理建立的韦伯 “大棒”。 对于韦伯探测引力波的历史用生动客观的内容进行分析阐述, 并且认可韦伯在引力波探测史上是非常重要的人物, 虽然那重要性有一种昙花一现的戏剧性乃至悲剧性。 紧接着书中介绍了引力波被间接证明以及 LIGO 团队如何探测到引力波的。 在这方面, 对于引力波如何探测到的, 探测的困难, 对探测仪器要求之高以及对致密双星的分析都是卢昌海老师倾心着力撰写的。

本书另一个非常大的亮点就是每一章的标题都极具趣味性、 艺术性和科学性。 有的标题排比对仗, 比如: “称不上源头的源头” “算不上先驱的先驱”; 有的简洁优美, 比如:“风动、 幡动, 还是心动?” “更小、 更远、 更准”; 从有的标题中还可以看到鲜明的对比, 比如: “从难以置信的弱到不可思议的强” “比全部星星更 ‘亮’ 的 ‘黑暗’”。 精彩纷呈又贴切的标题使读者耳目一新。

本书运用文字和数学两种语言, 从理论和探测两个方面, 全方位、 不同角度讲述了引力波的故事。 本书在第四、 五、 六章充分发挥了文字和数学两种语言的完美结合, 将引力波所涉及的广义相对论、 引力波的四极辐射性质和引力波的辐射强度形象具体、 条理分明地论证出来。 而且全书中既有许多关于引力波相关的理论知识, 也有关于探测引力波的历史事件, 包括探测引力波失败的韦伯 “大棒”, 间接证明引力波存在的脉冲星轨道蜕变, 以及对成功探测到引力波的 LIGO 项目的详细分析和阐释, 使全书科学性和趣味性并存。

捧读卢昌海老师的《时空的乐章——引力波百年漫谈》著作, 不仅可以了解引力波的历史, 还对发现探索引力波的过程有深入的认识。 著者对引力波百年的历史通过简明而生动的语言来介绍, 使读者不论是否受过严格的科学训练都能从中受益。 这本书对于了解引力波各方面知识非常有价值。