爱因斯坦本人也曾怀疑引力波不存在

  次阅读 来源:互联网(转载协议) 2016-02-22 09:49 我要评论(0)

爱因斯坦本人也曾怀疑引力波不存在

2月21日消息,据《连线》网站报道,“没有引力波...沿着X轴正方向传播的平面引力波因此可能被发现...引力波不存在...引力波存在么?结果是存在严格解...”这些话都是阿尔伯特·爱因斯坦说的。有20年他对引力波的态度都是模棱两可,他在1915年创立的广义相对论预测到了这些时空构造中的波动,但他一直不能确定。

虽然这种理论的概念非常简洁——认为引力是“时空”中的曲线效应——但其数学计算过程却非常复杂。上周这个疑惑终于解开了,先进激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家们宣布,他们探测到了超过10亿光年外剧烈合并的2个黑洞发出的引力波。收集这种信号——被称为啁啾的时空中微弱的一阵收缩扩张——要求非常精妙的技术手段。为了确定引力波不仅存在,而且要了解引力波从黑洞发出跨越宇宙来到地球后是什么样的,科学家们花了100年时间。

阿肯色大学理论物理学家丹尼尔·肯尼菲克(Daniel Kennefick),在当研究生时就与LIGO联合创始人基普·索恩(Kip Thorne)合作,以证实广义相对论的预测。《QUANTA MAGAZINE》就此采访了肯尼菲克,以下为采访内容的部分摘要:

问:上周四(2月11日)宣布发现引力波,你激动吗?

答:我不能相信有多激动,很伟大,因为历史上这个领域很受争议,但这是无可置疑的探测。他们不是像很多人预测的那样从噪音中挖掘信号,而是靠眼睛在数据中真正看到。从理论物理学家的观点看,令人激动的是这些理论预测如此接近事实。

问:你如何看待引力波研究的历史,是什么导致此刻的成功?

答:无疑其中一大特征是存在争议——一系列的争议。科学家争论引力波是否存在,是否携带能量,是否以我们希望探测到的方式存在,你测量到什么或只是自娱自乐?首次提到引力波的是爱因斯坦,但他自己也说不存在。引力波是非常大胆、勇敢的概念,100年前就开始进入人们的头脑中,然而一直被认为虚无缥缈。总是在解答了一个问题后,又出现一个新的问题。

问:1936年爱因斯坦又改变了想法,认为引力波不存在,为什么会这样?

答:爱因斯坦和他的助手纳森·罗森(Nathan Rosen)着手寻找精确的(而不是近似的)引力波答案,但他们发现了问题。无论他们如何努力建立坐标系,他们总是发现时空中某个地方存在“奇点”,意味着无法在这个地方分配一个数字表示波有多大。现在发现真相是,这个奇点只是坐标奇点,不是引力波的问题。

拿北极点举例。如果我问你北极点的经度是多少,你会说“所有经度线都经过了北极点”。我们的单位制在那就不能用了,但这不代表北极点不存在,也不代表你不能达到北极点。在物理学上北极点是存在的,因此爱因斯坦和罗森困惑了。他们认为,既然那里有个奇点,就证明引力波不存在了。因此他们写了论文给《Physical Review》,审稿人写了10页的报告指出可能有错误,并退回了稿件。爱因斯坦对此非常生气,就收回了论文。

问:一些人开始证明,即使引力波存在,也不可能感觉到。

答:1955年纳森·罗森试图证明引力波不带能量,因此只是形式上的数学构造而没有真正的物理意义。思考这个问题的好方法是,如果我在海洋上,遇到大海浪,我可能意识不到,因为我会随波逐流,起起伏伏,因此周围的一切也是如此。如果引力波也像大海浪一样,是否会真的与我们互动,或者我们只是随着引力波起伏?在上世纪50年代这存在很大争议。

问:最后问题是如何解决的?

答:1957年罗森在北卡罗来纳州查珀尔希尔的一次会议上提出自己的论据,幸运的是菲利克斯·皮拉尼(Felix Pirani)也参加了那次会议。他决定看看广义相对论如何起作用,使用非常实用的方法解决了坐标系的问题,他展示了波在经过时可以来回移动粒子。理查德·费曼(Richard Feynman)听了皮拉尼的谈话后,表示:“既然我们知道粒子会移动,我们要做的是想象一根铁棒,在铁棒上我们放一些珠子,当波经过时,珠子会来回移动,但铁棒将保持僵硬,因为铁棒的电磁力会努力使原子和电子保持原位,因此珠子会拉铁棒,摩擦产生能量,能量必然来自引力波。我的结论是这种波有能量”。

这就是著名的“粘珠”思想实验,让很多人相信罗森提出的怀疑没有任何理由。然后乔·韦伯(Joe Weber)等人开始努力探测引力波。

问:但人们依然不知道是否存在可以探测到的足够强大的引力波天体物理源,对吗?

答:对,爱因斯坦写到,任何人都不大可能发现行为受到引力波可测量影响的系统,他指出,来自典型的双子星系统的波几乎不携带能量,我们从未注意到这个系统已经改变。我们能看到来自黑洞的引力波,原因是它们之间的距离比双星更近。这些黑洞很微型,所以可以靠得足够近并相互围绕着非常非常快速地运动。由于爱因斯坦不相信黑洞的存在,因此他就无法知道能以这种你能看到引力波的方式运动的系统。

问:卡尔·施瓦兹柴尔德(Karl Schwarzschild)在1916年发现了爱因斯坦方程的黑洞答案,同年爱因斯坦预测到引力波。为什么后来爱因斯坦却又不相信有黑洞?

答:黑洞本身存在很大争议,有着复杂的历史,LIGO的探测是首次真正完整证明了黑洞的存在。1916年爱因斯坦认为施瓦兹柴尔德只是发现了简化的物理学:如同有人将地球看作一个质量点(质量压缩至一个点)以简化研究,他们认为“施瓦兹柴尔德答案”——我们现在称为黑洞——为了方便研究将太阳作为一个质量点处理。他们认为这并非真实的事情。到1930年代,人们开始逐渐知道,“不完全清楚这个理论阻碍了人们”。如罗伯特·奥本海默等人开始证明,恒星可能自己坍塌变成像“施瓦兹柴尔德答案”的东西。1960年代约翰·惠勒(John Wheeler)的团队,基普·索恩是他的学生之一,从事了这种工作,他们和其他人发展起来黑洞理论。(木秀林)

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