天文学家首次目睹引力波来源:两颗中子星碰撞发出的引力波和光,爱因斯坦又对了!

2017年10月19日 卡城之窗





天文学家们周一宣布,首次观测到了两颗中子星相互围绕旋转,最终发生巨大碰撞合并,成为黑洞的情形


多伦多大学的Pfeiffer教授:这一发现打开了观测宇宙的新方式。



美国国家科学基金会今天早上宣布了这一消息,并表示“难以置信”。


就在本月,三名物理学家因探测到引力波而获得了今年的诺贝尔物理学奖


最早观测到这一奇景的是位于智利南部的卡内基Las Campanas观测台。


今年8月17号,他们首次观测到了引力波的发生源。之后,全球70多个天文观测台都观测到了。


这次碰撞来自距地球1亿3千万光年的地方。


而当这两颗密度很大的中子星撞击时,发生了“灾难性的爆炸”。


艺术家根据观测绘制的两个中子星相撞引发大爆炸,以及引力波的情景。


由于太空中高能量的转化过程,引力波会产生涟漪。


一百年前,爱因斯坦在相对论中,首次预测引力波的存在;而直到2015年9月,科学家才首次真正探测到因两个黑洞合并而产生的引力波。此后,又三次探测到了引力波。


美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)也观测到了这两颗中子星的碰撞合并。


科学家们表示,这次的发现或许可以解开一个40年的谜团,也就是:为什么会出现伽玛射线大爆发?伽马射线爆发是宇宙空间能量最大的爆发。


此外,还可能解释一些重金属如铂金和黄金的产生过程。

相信大家对此还是一头雾水,到底这些科技名词都是什么意思,那么现在就为大家解析一下。

第一个问题,爱因斯坦发现,光速不变,必然要求空间会“变”。

先普及一个常识,我们看见的太阳散发出来的刺眼的光,跟我们看不见的收音机、手机、卫星发射和接受的电磁波,其实是同一个东西。“可见的光”是频率在某个范围的电磁波。

近代研究电磁现象有一个重大发现,电磁波的传播速度是恒定的,也就是光速是一个固定的数值。无论是在火箭尾焰上出现的光,还是在一架列车上向外打手电筒,“光”这种东西居然不会因为处在运动状态下提高速度。

就是这么一个问题,别人都“习以为常”,却在爱因斯坦头脑中萦绕了多年。最后,他提出了一个大胆的假设,光速不变,是因为以光的视角看,它沿途经过的空间发生了折叠伸缩。

这是什么意思?当某个人要加速的时候,道路突然变长了,然后它到达某个地点的时间还是固定的。


实验证据,日食观测

常识认为光线是沿直线传播的。光线发生“弯曲”,并不是光本身发生了弯曲,而是空间发生了弯曲,即光走的路是“弯”的。牛顿力学认为月球绕地球运转是因为月球受到地球引力的吸引,但广义相对论则认为是地球的质量扭曲了附近的时空,月球在弯曲时空以最自然的方式运行,走出了一条绕地球运转的曲线。就如火车沿铁轨运行一样,当铁轨变弯曲后,火车自然沿弯曲的铁轨运行。

1911年爱因斯坦预言,当恒星的光非常接近太阳时,因为太阳的引力将会有一个小小的偏离,并第一次提出这种恒星光线的弯曲是可以测量的。

1915年爱因斯坦的广义相对论发表,并计算出星光在穿过太阳附近时所产生的偏折角度为1.75角秒。光线在引力场中的弯曲,广义相对论计算的结果比牛顿理论正好大了1倍,爱丁顿和戴森的观测队利用1919年5月29日的日全食进行观测的结果,证实了广义相对论是正确的。


数学理论,支持我们的空间是可以被弯曲的

欧几里得的《几何原本》在构建经典时空时有五个倚靠直觉的公设:

由任意一点到任意一点可作直线。

一条有限直线可以继续延长。

以任意点为心及任意的距离可以画圆。

凡直角都相等。

同一平面内一条直线和另外两条直线相交,若在某一侧的两个内角的和小于两直角,则这两直线经无限延长后在这一侧相交。(平行线公设)

第五条定义平行线的公设有些拗口。很多人就想用着前四条更基本的直觉观念去证明第五条,结果罗巴切夫斯基和高斯先后发现,前人的证明多是错误的循环论证,平行线公设无法由前四条推理证明。

1820年代,俄国喀山大学教授罗巴切夫斯基在证明第五公设的过程中,他走了另一条路子。他提出了一个和欧氏平行公理相矛盾的命题,用它来代替第五公设,然后与欧氏几何的前四个公设结合成一个公理系统,展开一系列的推理。但是,在他极为细致深入的推理过程中,得出了一个又一个在直觉上匪夷所思,但在逻辑上毫无矛盾的命题。最后,罗巴切夫斯基得出两个重要的结论:

第一,第五公设不能被证明。

第二,在新的公理体系中展开的一连串推理,得到了一系列在逻辑上无矛盾的新的定理,并形成了新的理论。这个理论像欧氏几何一样是完善的、严密的几何学。

这种几何学被称为罗巴切夫斯基几何,简称罗氏几何。这是第一个被提出的非欧几何学。后来黎曼引入新的公设取代第五条平行定理,引出了黎曼几何(或称椭圆几何)。人们最终发现,欧式几何、罗氏几何、黎曼几何这三种几何学,都是常曲率空间中的几何学,分别对应曲率为0、负常数和正常数的情况。黎曼曲率等于1、-1和0的空间分别是黎曼球空间、罗巴切夫斯基空间和欧氏空间。欧氏空间可看作黎曼空间的特例。

黎曼统一了黎氏几何,罗氏几何,欧氏几何,并且预见,物质的存在可能造成空间的弯曲。为爱因斯坦的广义相对论准备了数学基础。


更到后来,人们还发现。

线的长短是一个几何问题吗? 以洛仑兹变换和狭义相对论来看,线的长短是相对的,和速度有关,不是单纯的几何问题。

线的弯直是一个几何问题吗? 按照人类经验,光线走两点之间最短路线,两点之间最短路线是直线,所以光线就是直线。 但是,实验证明,光线在引力场会弯曲,所以,直线的概念并不纯粹是几何问题,还和物质的性质有关。

普通人会惊讶,我们看到的、感受到的、理所当然认为的许多日常观念,漏洞百出。

第三个问题,引力波不是一般意义上的“波”,而是空间持续的扭曲震荡。

空间可以被扭曲,因为有质量物体的存在。那超大质量物体,可以把空间扭曲到什么程度?

黑洞这种理论预言存在的天体,可以把空间扭曲成一个“无底洞”,任何东西只要“掉进去”就再也出不来。

如果两个黑洞,互相旋转,持续不断扭曲周围的时空,就可以引发时空震荡。而时空震荡(或称时空涟漪),就是新闻里说的引力波。


一句话解释,引力是空间“被掰弯”的程度,数学定义叫曲率,而弯曲的程度受物质质量的影响,两个超大质量的物体互相旋转,周围被弯曲的空间就会发生持续的拉伸和收缩震荡。今天刷屏的新闻,就是这种震荡传到地球,正好被精密的LIGO装置探测到。


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