Einstein@Home:专家问答

出自中国分布式计算总站

跳转到: 导航, 搜索
Einstein@Home:专家问答
Ask a Physicist
本文由外语文献翻译而来
若发现翻译问题,请至Einstein@Home 主题中文站翻译专帖 论坛讨论
原文 Einstein@home:Ask a Physicist
发布时间 不明
原作者 Dr. Ben Owen
译者 Youth、starwarcat、applegz、Fwjmath、pchu、zxpr、碧城仙
版权 中国分布式计算总站:版权信息
50px 当前页面或段落需要更新
当前页面或段落提供了过时的信息,可能误导读者,希望了解相关内容的Wiki用户协助编辑。
用户 Arthur200000 给出的意见是:可能需要增量翻译更新。 。
其他用户若有异议,请前往讨论:Einstein@Home:专家问答发表见解。
欢迎无wiki账号的用户到论坛Wiki系统讨论区注册)参与讨论。
Wikify icon.png 当前页面或段落存在质量问题,但不影响阅读
当前页面或段落的Wiki代码存在问题,使得页面难于修改和维护,希望有经验的Wiki用户协助改善。
用户 Arthur200000 给出的意见是:一些问题中的加粗字可改为形如==== 为什么?====的次级标题。 。
其他用户若有异议,请前往讨论:Einstein@Home:专家问答发表见解。
欢迎无wiki账号的用户到论坛Wiki系统讨论区注册)参与讨论。

目录

LIGO

我们怎么知道 LIGO 一臂的长度是精确的 4 km(左右)?

实际上,干涉仪测量的是两臂长度之差。在无引力波时,它们并不都是精确的 4km 长,但那完全不影响仪器的灵敏度。

引力波观测激光干涉仪(LIGO)甚至并不真正测量两臂的长度差及其变化,它关心的是一些时间尺度上的变化。比如说,如果你以 100 Hz(周期每秒)的频率振动,像大多数脉冲星一样,它将对此特殊的振动颇为灵敏。如果你以 10 Hz 或 10,000 Hz 的频率振动,它将没那么灵敏。

为什么?

对于过高的频率,你会发现光的波动将淹没你对引力波的灵敏度。这是基本的量子波动,一般对于所有频率都是同样程度的小。但是 LIGO 的结构使得信号通过几面“镜子”产生反馈,使得高频更加难以分辨,这是为使 100 Hz 附近的信号清晰而付出的代价。

对于低的频率,所有信号都被地震噪音(来自于几百英里外的地震、车辆、脚步、海浪撞击海岸线等等的各种噪音,或者随便什么东西)淹没掉了。这很需要装上各种各样的隔离装置。它们都安放好了,而且他们的效果难以置信的好(LIGO 把钱都花在这个刀刃上了)。但当频率降低至 10 Hz 时,来自地球的噪音太大了,怎么也隔离不了;因而就有了 LISA 的计划(一个基于外太空的 LIGO)。

我知道,科学家们相信可以侦测到的引力波都来自于超大质量的物体,譬如双星系统、脉冲星及超新星等。Einstein@Home 所寻找的引力波是来源于这些波源中的某一种吗?

引力波观测激光干涉仪(LIGO)正实现对那些波源(及更多波源)的搜索,但 Einstein@Home 正在进行的是“全天脉冲星搜索”,正如你在每一个 WU(Work Unit)的页面上方所看见的。这并不是寻找你在屏幕保护上所能看得到位置的已知的脉冲星。这是对天空的一次系统的搜索,目标是从某方向来的周期性的引力波,每次只分析一个方向。每一个方向都须这样做,因为地球的运动使得频率偏移(多普勒偏移)对于天空的每一个方向都是不同的。此外还有脉冲双星的额外多普勒偏移(由于它们的轨道运动),不过现版本的 Einstein@Home 程序仅仅寻找孤立的脉冲星。

你的 CPU 大多数时候都在做一些基于傅里叶变换的计算。傅里叶变换是一种将时域序列看成是不同频率的级数和(即频域序列)的方法。。当多普勒偏移去除后,脉冲星的信号应当近乎是正弦曲线的样子,所以傅里叶变换可以很容易的去除多普勒效应。傅里叶变换在数字计算上颇为有效,但在全天搜索中傅里叶变换的使用多得让人头皮发麻。这就是为什么 Einstein@Home 用于做这项搜寻工作,而不是像对已知的脉冲星的搜寻,那在一部电脑上就可以很快完成。

以后 Einstein@Home 可能会做点其它的搜索,但对于现正进行的搜索是最适合的(至少是现在)达成了共识,因为:(1)这在 CPU 周期里是最为耗费的,因此也是对于你们大家贡献出来的庞大的计算力的最佳使用的地方,及(2)人们很可能会更为激动于寻找一些远比在无线电、X射线等等之中露面了很多年了的脉冲星要新鲜的东西。我还认为(3)我们已经知道一些无线电脉冲星等等的方位,但一个预先不知道的(其无线电脉冲束并不直指地球)可能刚好接近我们,因此形成一个更强的引力波源。对于我们已知的引力波源,我们预定好了我们的长期目标,但我们仍祈求能有一个愉快的惊喜。

用干涉测量的术语来说,LIGO 和德国探测器间的基线长度是否足够长,从而能精确定位引力波源的位置?Einstein@home 的屏保中显示了一个天空中的当前探索位置,这个位置是怎么来的?这让人感觉它是一个主动的观测系统而不是一个被动的、先探测到波然后试图定位波源的系统。是我理解错了吗?

物理上来讲,LIGO 是被动的。造在哪就在哪了。所谓的“指向”仅存在于数据处理的过程中。

具体的过程依赖于波源的类型。你可能会猜测:造两个 LIGO,然后使用类似三角测量的方法来确定一个方向。对于短期的信号来说,基本可以这样认为,虽然这样得到的方向性并不太好。LIGO 更象是耳朵而不是眼睛,因为引力波的波长要比探测器的尺寸来得大,如果你试图闭上眼睛,除了看不见,你也会发现没法定位声音的来源。

但是对于 Einsein@home 正在搜寻的长期信号来说就不一样了。即使你开始时探测到一个完美的正弦波信号,等到记录它的时候可就是另外一个样子了。探测器固定在地球上,而地球除了每天绕着自身转一圈,每年还要绕着太阳转一个大圈。这种运动使得信号的频率变得很复杂(多普勒偏移),依赖于时间和当时在天空中的位置。举例来说,在北极上空的波源不会因为每日的自旋而产生多普勒偏移,但却会被地球绕太阳运行所影响。另外,它也并不依赖于在探测器间是否有足够长的基线,虽然后者在其它方面有好处,它仅仅依赖于地球的运动。

有了这些复杂的多普勒偏移,就有了角分辨率的问题。数据分析中比较对多普勒偏移进行补偿以使信号尽可能地接近正弦曲线,以方便从噪音中提取真正的信号(通过傅立叶变换)。对于任一天空位置,都必须做一次多普勒偏移补偿,再进行傅立叶变换才能知道是否有我们需要的信号;对于另一个位置,同样也得先进行多普勒偏移补偿再进行傅立叶变换,等等。对于深入的研究,即使是天空中位置的小小变换,相应的多普勒偏移也是不同的,如果处理不对,什么有用的信号都观测不到。最后的结果就是我们有大量的天空位置需要进行搜寻。

因此,原始的数据里面包含了全天空的信号,分析代码在天球上选择一个点,对其进行多普勒偏移补偿,然后寻找周期性的信号。除了该点附近相当小的区域,其它部分的信号在这个校正过程都被去除掉了,然后代码再挑选另外一个点进行分析,再另外一个,再...

然后问题来了,更灵敏的搜寻需要更多的天空位置,也就是需要更多的计算能力,于是就有了 Einstein@Home 项目。:)

有没有直接探测到过引力波而不是探测其效应?

还没有。第一次对引力波的间接的证明是在观察互相绕对方旋转的双中子星时找到的,双星轨道的收缩速度精确地符合由引力波导出的收缩速度。从那时到现在已经 13 年了,我们还找到了大量其它类似的系统,但我们仍然没有直接探测到引力波。

下一个问题可能就是“那我们什么时候才能探测到些什么?”。这要看你在问谁,答案如此多样,以至于立博公司的那些经纪人也会拒绝下注。在接下来的五年我们能看到些什么的几率不大,但在那之后,当 LIGO 升级、LISA 飞船(可以认为就是太空中的 LIGO)发射后,我们的机会将大很多。如果到那时还什么都探测不到,那就比只探测到哪怕一个信号都更具有革命性!

为什么会有这么大的不确定性?基本上我们对于产生引力波(在 LIGO 可以看见的频率范围)的事物的了解并不像其它观测手段那样多。射电天文学家可以告诉我们银河系中几千个中子星的各类属性,X射线或其它天文学家也能告诉我们其它更多的。

但是只有少量的中子星是和其它中子星靠得足够近并显示出引力波存在的证据。根据我们对恒星生命周期的了解,应该还有非常多的不能通过射电或其它方法看到的双星。你可以试图去估计有多少中子星是用射电方法看不到而 LIGO 可以看到的,但这有非常大的不确定性。这就好比你想通过十个体形相当的美国人来估算美国的人口,这样的样例显然是不具有代表性的。

如果你试图猜测有多少中子星正在放射出引力波(也就是我们在 Einstein@Home 项目中所寻找的),这将会相当困难,因为我们对它们几乎没有什么了解。类似的还有黑洞、超新星等等。但如果你反过来想想,这也意味着如果我们探测到引力波,我们将能开始了解这些目前还不能通过其它途径去研究的事物,这是多么地有趣啊。 :)

如果在先进 LIGO 投入使用后仍然找不到引力波,物理学家们将会怎么办?他们会放弃搜索还是对理论进行修改?

如果先进 LIGO 在一两年后还探测不到任何引力波信号,这将比能探测到还更具有革命性,不过我现在仍认为信号应该是能探测到的。

原因之一是我们已经有了大量的间接证据可以证明引力波的存在,关于这一点,之前的一个提问里我也稍微提到过,下面我再详细讲一讲:

最其名的例子就是哈尔斯-泰勒脉冲星。这是一个双星系统,也就是两颗互相围绕对方运转的中子星。因为其中一颗星体发出的射电信号会在星体旋转时扫过地球,我们就可以观测到一个周期性的射电信号。这个信号就像好比全球定位系统的时钟,我们就可以由此跟踪星体的运行,而这个信号告诉我们它们正在以螺旋形式互相靠近,也就是说它们的运行轨道正在缓慢地缩小。由于发射引力波导致的轨道收缩和我们的观测结果相当一致,因此这是爱因斯坦理论的一个相当强有力的证据。因为这个发现,哈尔斯和泰勒最终获得了1993年的诺贝尔奖。

从那时起,随着射电搜索技术的进步,我们已经发现了更多类似的双星。但这些特殊的双星用LIGO是不能探测到的,它只能探测到双星在合并前最后几分钟的运行情况,不过我们知道一定还有更多我们用射电方法找不到的双星,比如某些脉冲星的波束并没有指向我们,而引力波产生时是在各个方向上都有的,这就可用来估计 LIGO 每年可以探测的螺旋运行数目。加上我们从观测结果中得到的推断(比如超新星爆炸后将普通星体转变为中子星的几率)以及天体物理学家的计算(比如超新星分解为双星的几率),我们估计出每个星系中每几十万年应该会发生几次双星合并。既然高级 LIGO 可以看到数以百万计的星系,我们认为每年应该可以观测到几十次的双星合并。这个数字有一定的不确定性,但再怎么少,一年一次总归是有的。

因此,如果先进 LIGO 在一年后还探测不到一次双星合并,我们并不会想去修改相对论,我们会开始好好审视一下我们对恒星生命周期的理解。而 LIGO 的观测也会继续,因为即便没有信号,我们也可以设定一个上限,我将在下一部分中继续讨论这个主题。

引力波源

一个所谓的固体夸克星体会在受到“短时脉冲波形干扰”后由于瞬间惯性的改变而产生引力波?这一发现能够证明或者排除那些陌生的夸克星体的存在吗?

“短时脉冲波形干扰”一词是当无线电天文学家发现脉冲星的频率突然跳跃而命名的。在大多数情况下,脉冲星在以电磁波(无线电,光等)和重力波的形式释放能量和角动量,所以它的频率会连续的下降(而且非常慢)。但“短时脉冲波形干扰”并不发生在全液体的星体上,所以观测的资料使我们了解到只有一部分的星体是固态的。基本上,只要某些部分会爆裂和结构突然变化。那些部分就很可能是固态部分的本身,也可能是固态部分和液态部分互相作用产生的现象。

中子星大部分是液体,在表层只有一层薄薄的固体外壳。但一些脉冲星的密集程度使夸克自由组合更胜于把三个中子限制于一组。况且,夸克星体的变化比(那些已经很复杂的)中子星更难预测。而现今,夸克星体已经被普遍认为是由大量气体组成,表面覆盖着一层薄薄的固态外壳的星体,但也有可能它们是完全固态的。

在“短时脉冲波形干扰”突然干扰之后,整个星体会像铃一样响起振动,它的运动将会产生引力波。从那些精准的振动可以大体上分析出星体的结构,就像某些地方是固态或者说它们的组成是什么。但遗憾的是,这些信号实在太弱了,以至现代的仪器不能准确地测出,甚至下一代的仪器也未必。而且,那些信号不会持续太长,这使得它们更难侦测。

但是 Einstein@Home 会在“短时脉冲波形干扰”之前侦测它。那怕是固体部分爆裂出的一块。如果真的是这样,当它旋转时会不断地产生重力波。而长久持续的时间能够是我们侦测出那信号,虽然我们需要利用大量的计算能力才能达到那一点。那就是我们邀请你们参与 Einstein@Home 的原因。由于从夸克星体发出的信号会比中子星强一点,或许那个久远的信号将会告诉我们它是中子星或是其它什么的。

既然对称的结构不会产生引力波,那为了从脉冲星探测到引力波,是不是脉冲星必须是绕轴进动的?

邮件中有两个问题,我将一个个回答。

进动的星体确实会辐射引力波,但它们并非唯一的选择。绕旋转轴的任何不对称都会导致引力波的产生。

如果你还不了解“进动”这个词,进动指的是物体绕它的旋转轴有非球形的摆动。想一想橄榄球:如果扔得好,它将绕它的长轴稳定的自旋;如果扔坏了,它的自旋轴将偏离长轴而摆动起来。星体是绕着短轴自旋的,但它们也会同样地摆动。

不过,LIGO 可能根本探测不到这种进动。已知的进动中子星非常稀少 - 一般说来,除非它们被什么给击中,然后偏离原来的转轴,而这在太空中发生的可能性并不大,另外,它们的进动频率对 LIGO 来说也太低了。高频率的进动也可能由撞击产生,不过中子星坚硬的外壳将使这种高频进动很快就停下来。

尽管诞生于超新星爆炸中的中子星有坚硬的外壳,它们的表面可能也存在山脉。山脉也可以像进动那样产生四极不对称,因此它们也将辐射引力波。一般认为四极矩要比质量与半径平方的乘积要小得多,但是最大的山脉仍然可能产生足够让 LIGO 探测到的引力波。(部分也由于这里没有频率上的限制。)

硬壳下的流体也会辐射引力波,而且一种称为“R模式”的流体甚至可以依赖其自身产生的辐射而维持运行。这种现象目前还只是一种大胆的猜想,但如果我们能探测到它,我们将可以验证相对论的奇怪预言之一并且对中子星内部的奇妙物质有更多的了解。

是否有估算过引力波的传播速度?

爱因斯坦认为引力波应该是以光速来进行传播的。注意:是真空中的光速,而不是在介质中被减慢的光速。或者你也可以说是光是以引力波的速度来传播的:因为引力决定了时空结构,而后者又决定了物质的移动方式,当然,这也包括光的传播。

但这还并不是全部。光在介质中传播时会因为与原子的量子交互作用而减慢。我们通常会认为玻璃是一种连续的介质,但如果从比一根头发的精细度还要小一百万倍的尺度上看就不是这样了。在这个尺度上分布着大量的原子,光会与这些原子产生交互。改变原子的类型,甚至是改变同一种原子的排列方式,都能极大地影响光的行为。影响的程度依赖于光的波长。某些波长的光几乎可以像在真空中一样快速的穿过,而其它一些则可能完全无法通过。

类似的情况也可能发生在引力波身上。爱因斯坦将时空结构看成一块连续的区域,但是在比原子间间隔的百万分之一再百万分之一的尺度上,量子力学的效应将更为显著。爱因斯坦并没有找到将量子力学与引力结合起来的理论。即便是今天我们也没法做到,但我们推测时空结构在非常小的尺度上也有类似物质中原子的结构。那样某些波长的引力波就会像介质中的光一样走得慢一些。(另外,特定波长的光在真空中也会慢下来。)

因为这个尺度非常之小,要对这种效应进行观察将非常困难。大部分的人都预言 LIGO 和 LISA(也就是太空中的 LIGO)将永远都无法得到什么结果,因为在仪器的敏感波长范围内引力波的效应可能是相当微弱的。不过人们仍然会观察,而且对来自天体的光效应的寻找已经开始。这可能需要相当长的时间,但一旦有人观察到,这将是牵涉到量子引力理论的第一个观察结果。爱因斯坦在他一半的生命中都在寻找它,因此如果有人发现了以光速传播的引力波,你将肯定会在新闻中听到!

广义相对论

我总是认为在外太空之中是没有上下之分的,这好像不对,因为物质好像能导致时空的弯曲而其它物体会向弯曲方向运动。那我到底忘了什么导致我的错误呢?

物质当然会导致时空的弯曲,甚至在外太空这依然成立。但是这与上下无关。

当你坐在家里的时候,你当然对“下”有一个清晰的概念。拿一个苹果再放开它,“下”就是那苹果移动的方向,那就是地球所在的方向。

在一艘低地轨道上运行的封闭的航天飞机上,你不会对“下”有一个清晰的概念。如果你放开一个苹果,它会停留在你放开它的哪个位置上。在航天飞船上的时空弯曲比在地面上要小,但是只是几个百分点的差异,不足以解释这个现象。关键是苹果和你之间没有相对运动,你日常的“下”的概念就是从这里来的。

现在我们再来谈论那些时空的弯曲。物体在运动时会试图沿着被称为测地线的曲线运动,这些曲线就是在卷曲的时空里的尽可能直的线。在航天飞船舱里,你沿着测地线运动,当你放开苹果时,苹果原地不动是因为苹果在你附近的测地线上运动,而它跟你在的那一条非常接近。在家里,你的测地线会到达地心,但是你被厚达几千公里的岩石推离了测地线。这就给了你一个可以感受到的重量。当你放开苹果时,苹果大致沿测地线运动,从你的测地线岔开出去,你就会看见它飞离你的手直到接触地面。所以你会有关于“下”的清晰概念,那就是“当我不受阻碍时的测地线方向”。

这就是爱因斯坦理论的一个反直觉的推论。“下”的概念和重量的感觉并非源于重力,而是源于作用与物体的其他所有作用力。在外太空中,由于物质的存在,仍然会有弯曲的时空。但是如果没有物体把你推离测地线,你不会有任何“下”的感觉。

白洞存在吗?如果存在的话它们都怎么形成的?时间在白洞里面是否仍然有效,既然它们和黑洞是相反的?

白洞确实是和黑洞相反的,但很可能在现实中是不存在白洞的。

在爱因斯坦提出广义相对论后的一年内-那些方程式还很难解开的时候-卡尔·施瓦西给出了第一个解,描述了现在人们所说的黑洞。这是一个最简单的黑洞版本:高度对称,永远孤立地存在着,没有物质的进入,既不旋转也不随时间改变。很显然它有一个只能进去却无法出来的表面(后来称其为视界)。即便是光也无法逃脱,这也就是它得到黑洞这个名称的原因。

后来,当人们有了很复杂的数学工具来分析这些方程式,他们发现了更多。在这个简单的情形下时空结构必须具备时间反演对称性,这意味着如果你让时间倒流,所有一切都应该没什么两样。因此如果在未来某个时刻光只能进不能出,那过去一定有个时刻光只能出不能进。这看上去就像是黑洞的反转,因此人们称之为白洞,虽然它只是黑洞在过去的一个延伸。(更奇怪的是:在视界里面似乎应该还有一个宇宙,虽然这里用“里面”可能不太确切。)时间在白洞里面是存在的,但既然你不能进去,那你只有出生在里面才能知道了。

但在现实中,白洞可能并不存在,因为真实的黑洞要比这个广义相对论的简单解所描述的要复杂得多。他们并不是在过去就一直存在,而是在某个时间恒星坍塌后所形成的。这就破坏了时间反演对称性,因此如果你顺着倒流的时光往前看,你将看不到这个解中所描述的白洞,而是看到黑洞变回坍塌中的恒星。

引力子是否存在?如果存在的话,为什么还从来没有探测到过?引力子如何与爱因斯坦的引力理论(引力实际上是时空结构的扭曲)相结合?

首先,什么是引力子?

微观上来看,宇宙中其它的基本力都是通过交换“载体”粒子来作用的。光子是电磁波的载体。从微观上讲,随着在你衣物上的静电其实就是你的衣物在来回地投掷光子。刚晾干的袜子上就包含了大量的光子,但如果要检测单个的光子,就需要更精细的实验了。弱核力的载体是 W 和 Z 玻色子,因为它们有质量以至于难以在加速器中产生出来,人们最近才探测到。强核力的载体是胶子,目前还没有直接探测到,而且由于它们组合的方式,也许永远也不能探测到。但如果粒子组合在一起的方式和你所期待的胶子组合的方法相同,这也就是对胶子存在的有力的间接证明。

既然其它的力都是通过交换载体粒子来作用,我们假设引力也是如此并且称其载体为引力子。从引力的宏观属性,你可以推算出引力子的大致情况。比如,由于引力的作用范围是无限的,那引力子应该是无质量的。它不会像胶子那样组合,因此理论上它也是可以探测到的。

不过实际上,人们要探测到引力子将需要很长的时间。因为引力是基本力中最弱的一种力,需要大量的引力子才能产生任何可观察的效应。如果说引力在你的生活中都是拉后腿的可能有些奇怪,但微观上看确实如此。任何两个电子由于电荷作用被互相推开的程度要远远大于它们被引力拉到一块的程度。因此如果要探测引力子,其数量必须非常之大,这样累积的效应才会盖过微观的效应,而这也将证明微观粒子的存在。

至于引力子和爱因斯坦理论中的关系,有人认为引力子本身也是当你以特定方式调节宇宙的时空结构时所展现出来的一种累积效应。不过如何将量子力学(这就包括了与载体粒子相关的理论)与广义相对论结合起来仍然是一个悬而末决的问题。

我印象中引力应该是一个场。为什么它可以既是场又是波?

波只是场的一种特定行为,也就是它在时空中的位置按一定方式进行改变。但场能做到的并不仅仅是波,它还可以不随时间变化或者不像波那样进行变化。由于光速的限制和能量守恒,任何物理场都必须能传播。关于这方面的概念在本站的引力波部分有很好的描述。

从数学上讲,场是特定于时空中某个位置的一个数值(或者是一个数值集)。而从物理上讲,我们感兴趣的基本场所产生的数值可以用来回答类似于这样的问题:“如果我在这里放置一个小电荷,它将受到多大的哪个方向的推力?”(这个电荷必须非常小,这样它自己的场才不至于打乱你所有测量的场。)举个例子,如果问题是“依赖于我何时将小电荷放置在何处,它将受到多大的推力(单位电荷)?”,那答案是电场。而如果你将问题中的“电荷”换成“质量”,那答案将是引力场。

实际上,后一个问题对应的是牛顿的重力理论。而爱因斯坦的相对论在概念上是不同的,因为推力的大小和方向在不同的观测者看来可能都是不一样的。但从数学上讲你仍然可以用场来进行描述,将它和时空结构联系起来。这个场必须允许波的存在,这意味着它在时空中必然有可能存在波。而这也就是 Einstein@Home 正试图寻找的引力波。

那么波和其它场的行为间有什么不同呢?比较明显的是它们是可以“波动”的:依赖于时间和位置,数值上上下下地发生变化。而另外不那么明显的是这意味着波可以传输能量(还有信息以及其它事物),即便是在真空中(没有质量、电荷等等)。它们是宇宙间相距遥远的部分可以互相联系到一起的原因,这也就是为什么它们在天文学上如此重要的原因。

引力波会扭曲时间和空间吗?我能理解空间的扭曲以及如何去测量其差异,但你们如何能够知道时间的扭曲是否会影响 LIGO 中的激光束?

你可以说引力波会扭曲时间和空间,但更精确的说它们扭曲的是时空,而你看到的究竟是单纯空间或单纯时间的扭曲,还是空间和时间的某种组合,依赖于你自己是如何移动的(也就是你所在的参照系)。

这个问题的常见版本类似于:“昨天你们说 LIGO 的臂长为4公里,然后在引力波扭曲了空间后这个长度改变了一丁点。而今天你们又说因为引力波扭曲了时间,导致激光的频率发生了一丁点的改变。但如果光速是恒定的,频率的改变将带来的波长的改变。如果波长和臂长以相同的方式进行改变,那么怎样与什么都不改变的情况进行区分呢?”

昨天我的答案在一个参照系中是正确的,而今天我的答案在另一个参照系中也是正确的。你可以找到一个臂长改变而波长不改变的参照系,你也可以找到一个波长和频率改变但臂长却不改变的参照系,但你永远找不到一个参照系其中波长和臂长的改变是可以相一致的。仪器真正测量的是腔臂长度所对应的波长数或者说激光在腔臂内传播的波长周期的数目,而这个数目在所有参照系中都是相同的。

这个答案的背后下是相对论的原则:无论一个参照系如何移动,其中基本的物理观察都是相同的。因此你可以选择一个参照系以便你可以更方便地进行计算,或者选择另一个参照系以便你可以更容易地解释某个现象。或者将在一个参照系得到的结果用在另一个参照系中。这种切换在物理学家们做计算时是非常方便的,也就很快变得非常自然,因此有时我们甚至会忘记它看上去可能会让人感到困惑!

光速

如果我们以光速行进并打开灯将会发生什么?黑暗有传播速度吗?

我的实验表明当我打开冰箱门时黑暗立即离开了冰箱。其实黑暗的离开和光线的进入就是一回事,因此我不能看到它的离开过程再正常不对了,光的传播速度可是非常之快的。

光总是以同样的速度进行传播(如果不是在物质内部跳来跳去的话),一个您永远追不上的速度。如果您试图把您自己绑在一枚火箭上,您站在起点的朋友会看到您不断地加速离开。但您的朋友也会看到您变得越来越重,实际上当您无限接近光速时您也将变得无限重,因此您会需要无限的火箭燃油来使自己接近光速(相对于您的朋友)。

但您自己并不会感觉到自己变重。实际上,在您离您的朋友越来越远时,您也会看到朋友的体重在增加。您和您的朋友都觉得对方的手表走得更慢,而且双方都在行进方向上被压扁了。这看上去也许有点矛盾(为什么您不会看到您的朋友变轻呢?),但这实际上有个简单的解释。基本上这可以看作一个类似于透视的几何效应。如果您用一般的速度从您朋友边走开,您会看到朋友变得越来越小,而您的朋友也会看到您变得越来越小而不是变大。

既然您不可能达到光速,我们再来看这个问题:如果您以非常接近光速的速度走进一个房间,然后顺手打开电灯开关,您会看到什么?实际上,您将会比电信号从开关到灯泡还要快。传播的电场就像光一样,如果是在理想的导体中它将以光速传播。但即便是最好的导线也会大大减慢它的传播速度。

因此直到您离开很远了,灯才被点亮。看起来这个回合是黑暗赢了。

好像光速并不是恒定的。有人证明光能在室温下以1.4倍光速(c)的速度进行传播。

您会在新闻中听到很多类似的言论,并且往往都宣称突破了光速 c 的限制。但实际上他们并没有真正做到。

对于任何信号都有两个速度即相速度和群速度。能够超过光速 c 的是“相速度”。相速度可以告诉我们一个纯正弦波(其频率单一)的传播速度。但现在中并没有这样的波,因为它是无限延伸并且永远存在的。

现实中的信号由各种频率的正弦波组成,因此,在有限的波长数后,它们会干涉相消,您就得到一个有限宽度和有限延续的信号。当您描述一个真实信号(由不同频率的正弦波组成的波群)的传播速度时,您用的是“群速度”,而这个速度是永远小于光速 c 的。

另外,光在介质中的传播速度要比在真空中慢。因此如果光在某种介质中的传播速度是 0.5 倍光速 c,您再让这个介质以 0.6 倍光速 c 运动,然后您就可以向您的朋友们宣称这个介质比光走得还要快了。类似于契伦科夫辐射(核反应堆所发出的漂亮蓝光就由其产生)的奇妙效应确实存在,但您仍未打破光速的限制,因为所有这些速度最终都不能超过真空中的光速 c 。

还有就是探照灯效应,您将一束光照在远处的一个屏幕上然后用您的手画圈。您会看到屏幕上的光斑在屏幕上的移动速度要超过光速 c ,但其实光斑在屏幕上一点到另一点的过程中并没有传递任何真实的物理信息。

既然爱因斯坦在一百年前就提出了这个速度的限制,我们一直在努力地寻找突破它的方法。但每一次实验都更好地证明了这个限制。

为什么由相对论原理以及光速的不变性可以推导出光不需要介质即可传播?

首先,我们来看看光为什么可以传播?

麦克斯韦关于电磁场的方程组即暗示了狭义相对论,虽然在那个时候(爱因斯坦还没有出生)还不明显。他由此推测可以在场中产生波,而这些波实际上就是光。直到那时,人们仍然认为电、磁和光是互不相关的。

定性地看,这个方程组意味着:电场是由正电荷指向负电荷,磁场围绕着电流即移动的电荷。这些您在实验室都可以观察到,也是很早就在人们摆弄电线或琥珀时被发现了。如果仅仅是这些,您将不会在真空中看到什么,因为那里没有任何电荷或电流。

但在随时间变化的磁场周围也会产生电场,在随时间变化的电场周围也会产生磁场,而不需要任何电荷或电流的介入。这些效应更难探测到,特别是后一种更是非常微弱(您也许已经知道前者也被称为“感应”)。麦克斯韦把这些加入他的方程组后注意到如果合理地放置电场和磁场,使它们互相围绕并且适当地随时间变化,就能在没有电荷或电流的真空中产生可以自由传播的波。而且这些波的传播速度正是光的速度,这并不是巧合。

就算没有任何物质的存在,也能产生这种效应,它并不依赖于任何一种介质,能够在真空中产生。实际上,光和其它电磁波在穿越物质时速度会减慢(除非是不透明物体,那就完全走不动了)。

我听说核反应堆里的粒子可以走得比光还要快。这是真的吗?怎么会有物体的速度比光还要快?

嗯,这是真的。实际上放射性材料会发光也是因为同样的原因。

但这并不和狭义相对论冲突,众所周知,狭义相对论认为没有任何物体的行进速度可以超过光速。实际上,应该给这个认为加上“在真空中”的限定条件。

光在真空中的传播速度是一定的,一般用 c 来表示,这个速度是自然界最快的速度。但如果光在介质内传播就会慢下来。比如在水中,光的传播速度大概是 c 的 3/4。在玻璃中就更慢一些,近年来人们已经找到了一些可以让光几乎停下来的材料。光从本质上看就是一个振荡的电场,当这个电场碰到介质中的电子,情况变得更加复杂。它甚至会完全消失,就像在不透明的物体里。

许多核反应堆的核心部分就是由浸在水中的放射性燃料棒组成。这些燃料棒会放射电子,所有的电子都必须遵循 c 这个最终的速度限制。但在水中它们的速度可以却超过 c 的 3/4。那些快速的电子会导致水沿着电子的行进方向发出光。这个效应被称之为契伦科夫辐射,就是它产生了你从核反应堆核心处看到的奇异的蓝光(最好站在安全距离以外)。电子会逐渐慢下来,这就是蓝光看上去离燃料棒不太远的原因。这种发光现象在空气中也会产生,但是要暗淡得多,因为光在空气中的速度和 c 非常接近,很少有电子的速度能到这么快。

契伦科夫辐射并不只是美丽而已,它还很有用:许多物理实验都试图寻找接近光速 c 的带电粒子。直接追踪这些粒子比较困难,但你可以架设一个水箱然后寻找契伦科夫辐射。你甚至可以使用它来研究粒子的能量高低以及它们的行进方向。

当然,这种蓝光还是一个有用的“别动!”警示牌 :)

引力波

我们所期望寻找到的引力波的振幅、频率和波长分别是多少?

每种探测器都只能在特定的频率范围找到引力波。

LIGO 和其它的地基探测器对从几十赫兹(每秒的周期数)到几千赫兹的频率都是敏感的。这些频率人耳也能感觉得到,但其振幅要小得多。你的耳朵可以从空气气压的几百亿分之一的变化中提取出声波。而 LIGO 可能看到的最强的信号也要比前者的几百亿分之一还要小 - 也许只有千分之一,虽然我们也不希望这样。这些信号的波长范围从几十英里到地球的直径。

和地球一道绕着太阳运行的 LISA 将可以看到频率从十分之一赫兹到万分之一赫兹的引力波。也就是说对应的波长将达到地球绕日轨道直径的十倍。LISA 探测的信号将来自银河系的碰撞,其振幅将是 LIGO 信号的几千倍。而这仍然只有你的耳朵能探测到的压力变化的几十亿分之一。

接下来的一个频率窗口是在几十亿分之一赫兹的范围,其周期是若干年。而对应的波长将和太阳到邻近恒星的距离差不多。我们将使用“脉冲星时间校准阵列”来寻找这些信号。脉冲星是分布在我们银河系各处的自旋恒星,可以看作是非常好的时钟。“阵列”表示我们将花费多年的时候来进行观察(我们刚刚才开始)。如果有一个该频率范围内的引力波在我们和脉冲星中间穿过,它将在不同方向扭曲我们和脉冲星之间的时空结构,我们观测到的脉冲星自旋速率也将以一定模式发生变化。

最后一个频率范围是在几十亿分之一的几十亿之一赫兹。这些引力波在宇宙产生以后只传播了几个周期,其波长范围和宇宙的尺度相近。这些信号的表现形式是宇宙微波背景(来自宇宙边缘的大爆炸所产生的余热)中的模式。我们还没未见过这些模式,因此它们一定是相当微弱的。但因为它们是来自大爆炸之后宇宙还处于微观状态的时候,如果我们能找到它们,我们将了解一些全新的知识。

引力波是否曾被成功的探测到了,能期望这些知识引发新的技术进步么?

虽然我们至今还没有探测到引力波,但是已经从搜索的成果中衍生出了新技术。

我知道的第一个副产品是来自 1970 年代被称作 Pound-Drever 锁的东西。它是使用激光干涉仪测量微小距离的一个巨大进步。干涉仪测量长度改变的原理是让镜子自由的摆动,并根据输出端明/暗环的变化数目(光在末端的泄漏)计算出一面镜子移动了多少波长。实际上如果把干涉仪锁定或者说迫使镜子间的距离固定在一个确定的值,也就是注入光的确定波长数目,那它将更为灵敏。而且如果你非常细微地调节激光,会更容易保持锁定状态。你可以通过观察保持镜子锁定所需的能量来确定引力波想要把反射镜移动多少。Ron Drever 有意将它运用到 LIGO 上,不过其他从事精密测量的人们很快发现了这项技术的前景,如今该技术在工业中用的很普遍了。

还有就是工程方面的例子。LIGO 的 4 千米测量臂曾经被称作“地球大气中最大的洞”(确实如此)。它们的建造把真空技术推到了极限,随后重新定义了新的极限。建造它的工程公司从中学到了不少,我相信他们会运用到以后的项目中,这个和建造 LIGO 相比较应该要容易得多。

即使没有对引力波的搜索,这些副产品最终还是会出现的。不过这个令人兴奋的目标吸引了一些非常聪明的人来解决遇到的难题,如果他们不从事该项工作,就会被其他的事情吸引。并且由于引力波应用同实际应用相比更具挑战性,这些人不得不投入比实际应用更多的努力。同样的,我并不期望对引力波的最终发现能直接产生任何实际的副产品。但是令人激动的是它会促使人们对推动激光和真空技术以及其他与探测相关技术的进步感兴趣,这才是真正产生实际附带效益的地方。

其它

暗色真的比亮色吸引更多的热量吗?

您可以那样说,但“吸引”并不太确切。如果您把一辆暗色车和一辆亮色车放在阳光下,您很快就会注意到暗色车要感觉更热些。但这并不是因为暗色车吸引了更多的热量。两辆车从太阳得到了同样的光和热,但暗色车吸收了其中的大部分,而亮色车反射了太部分。这也是亮色车看上去亮的原因——光子被反射回您的眼睛而不是消失在材料中并使其升温。

但对于自身发光或发热的物体来说就是另外一回事了。你可能经常听到物理学家或天文学家们将太阳称之为“黑体”,这听上去很奇怪,因为直接看太阳甚至会你失明。其实这指的是相对太阳发射出的大量光和热,它几乎不反射什么光和热。一个好的发射体也是一个好的吸收体,从吸收而不是反射光的角度来看,太阳确实可以称得上很黑。

实际上任何物体都会发射出某个波长的光或电磁辐射。物体越热,发射的就越多,而且更集中于短波长范围。即使是冰冷的空间也充满了微波,稍热些的物体比如人类主要发射红外线(我们可以从中感觉到热),中等热的星体比如太阳主要发射可见光,非常热的中子星则发射X射线。如果你把暗色车停在阳光下足够长时间,你甚至不需要用手摸就能感觉到它的热,这就来源于车子的辐射。车子永远不会热到像太阳一样可以发出可见光,光从车子上出来时已经丢失了一些能量,这意味着更长的波长。因此车子热了后它会发射波长比可见光更长的红外线。

因此,您可以说暗色的材料更易于吸收光并被其加热——也更易于将吸收到的热再送出来。

常量 c(光速)、epsilon_0(真空介电常数)和 alpha(精细结构常数)中哪一个更基本?还是同样基本?

这些常量均包含同样的信息-可以互相转换(借助其它常量)。但它们的量纲并不相同:c 是速度或者说单位时间的位移,epsion_0 是电学常量,而 alpha 没有量纲-它仅仅是一个数字。

我们需要分清楚量纲(比如速度)和单位(我们用来衡量事物的尺度,比如每小时英里数或者每秒米数)。

大部分的物理学家会说 alpha 比 c 或其它常量更为基本,因为无量纲的数字比有量纲的任何事物更为基本。实际上我们测量的就是数字。当我说离街角五十码,我是想说的是这个距离和那位早已过世的英国国王的步长的比例是 50。这个比例是不会改变的,即使我是用米来测量这两个距离。虽然到街角只有 45 米,但那位国王的步长也少于 1 米,因此除下来仍然是 50。

既然我们测量的是无量纲的数字,那量纲有什么用呢?

量纲可以帮助我们区分那些只能通过引用其它一些参数来进行比较的事物。如果我要将距离定义为时间,我必须使用一些额外的信息:以我的平均驾车速度为参照,我可以说我的房子离费城四小时。但如果我使用光速作为参照,我会说费城在一毫秒之外。于之对比,我还可以说费城在两百英里外。看上去,这似乎就像随便说一个时间,但实际上我是在说到费城的距离和那位英国国王的步长比例是 350,000。无论我使用什么单位,这个比例都不会变,我也不需要借助我自己和那位国王之外的任何人或任何事物。

在您看来,阿尔伯特·爱因斯坦对今天人们的生活方式有重大影响吗?德国人对他的看法是否和英国人一样?

我不清楚各个国家的人们对爱因斯坦的看法是否不同,但即使是从应用的角度来看他对我们现在的生活的影响仍是相当多的。

GPS(全球定位系统)就是一个很好的例子。它可以通过比较几颗卫星的时钟信号而给出你的汽车、一枚导弹或其它任何东西的位置。时空扭曲也许听上去很抽象,但却有着相当实际的影响。相对论预言在卫星轨道上的时钟要比地面上的时钟走得快。虽然就算一天下来也只有 40 毫秒的差别,但如果不借助爱因斯坦的理论对其进行修正,一天下来 GPS 将会产生七英里的位置偏差,不用很长时间这个 GPS 就将变得毫无用处。

爱因斯坦除了相对论还有很多其它的贡献。他预言了原子和光的所有属性。虽然他一直不赞同量子力学,但他却是量子力学的创立人之一。他发现了全同微观粒子如何以人们可观测到的方式进行凝聚,这可以用来解释超导体的工作原理。他还发现了发光原子可以让其它原子也发出同样的光。虽然几十年后技术的进步才将这个理论应用到实际中,但它的作用却非常之大。这就是激光,从超市的读价器到 Pink Floyd 演唱会震撼的灯光效果再到用 LIGO 来搜寻相对论所预言的引力波——所有这些都有爱因斯坦的功劳。

爱因斯坦还解释了为什么河流是弯曲的——也就是说,为什么不是在平地上直直地流而是东弯西绕的。我在路易斯安那长大的时候才知道这个,虽然它并不太广为人知,但却给我留下了深刻的印象。从中我们可以看到爱因斯坦成就的范围之广,无论是现实的还是抽象的。

关于 Ben Owen 博士

Gw-owen.jpg

本·欧文博士是宾州州立大学的助理教授。他的研究领域主要为引力波。他希望能够用 LIGO 的数据对他的预测进行检验。

本·欧文博士1998年在加州理工学院获得博士学位,他那时的导师是 Kip Thorne 博士,后者是《黑洞和时间弯曲:爱因斯坦的遗产》一书的作者。Owen 博士的研究生论文《来自高密物体的引力波》赢得了 Clauser 最佳论文奖,他在论文中预言了一种新的引力波源。这篇论文在多次会议和超过 100 篇的论文中被讨论。

在进入宾州州立大学前,欧文博士曾在德国的阿尔伯特·爱因斯坦学院和威斯康星·密尔沃基大学做过研究。欧文博士是 LIGO 科学协作组的成员,担任数据分析的工作。他经常去拜访汉福和利文斯顿的 LIGO 观测站。


翻译说明

本页内容翻译自美国物理学会 Einstein@Home 项目网站的 Einstein@Home: Ask a Physicist(英文),曾存放于本站的 Einstein@Home 主题中文站,主要翻译人员:Youth、starwarcat、applegz、Fwjmath、pchu、zxpr、碧城仙。如对本文的翻译有任何建议或疑问,请访问本站论坛的 Einstein@Home 主题中文站 翻译专帖