多信使天文时代:人类用引力波和电磁波边听边看宇宙

出品| 新浪科技《科学大家》

撰文|张冰 美国内华达大学拉斯维加斯分校物理天文系教授,理学院副院长,美国物理学会会士

望远镜是眼睛的延伸

千百年来,人类一直是在用眼睛或眼睛的延伸来 看 宇宙。古人用肉眼就可以看到日月星辰和银河系。后来,伽利略发明了望远镜,使得人类可以用更强大的 眼睛 去观测宇宙。我们人眼看到的可见光只是电磁波一个非常窄的波段,在可见光之外有更长的长波如红外,微波和射电波及更短的短波如紫外,X射线和伽马射线。人们于是在这些波段建造了更强大的望远镜对宇宙进行全面观测。然而,所有这些观测都是用光子信使来传递信息的。

传递宇宙信息的其它信使

我们知道宇宙有四大相互作用。光子是电磁相互作用的传播媒介。除了电磁相互作用以外,还有三种相互作用,分别是弱相互作用,强相互作用和引力相互作用。弱作用和强作用是短程力,其传递媒介不能够传播很远,但它们的产物,即中微子和宇宙线,却能够从遥远的天体到达我们。这两种宇宙信使由于时间关系我们今天不做介绍。

第四种相互作用是引力相互作用。和电磁相互作用一样,引力是长程力。与引力相对应的波动是引力波。这是一种非常微弱的波动。人类历史上最伟大的物理学家爱因斯坦在1915年提出了著名的广义相对论。引力波是广义相对论的预言。整整一百年之后,也就是在2020年,人类才首次探测到了引力波。

奇妙的爱因斯坦场方程和引力波

听说做科普报告的时候,如果写一个公式,有一半的观众就会走掉,但是我还是要硬着头皮写下来这个公式。这是因为两个原因:第一,能来到未来论坛的观众不是一般观众;第二,这个公式太漂亮了,不得不把它介绍给大家。这就是著名的爱因斯坦场方程。

爱因斯坦场方程是用来求解时空结构的演化的。爱因斯坦发现所谓 引力 其实可以描述为时空的弯曲。在广义相对论里其实没有引力,爱因斯坦场方程只是描述如何把物质和能量与时空弯曲联系起来。把方程从左读到右讲的是宇宙中的物质和能量分布如何可以引起时空弯 曲,把方程反过来读讲的是弯曲的时空如何决定物质怎样运动。这是一个张量方程,全部写出有16个方程。数学上非常复杂,但物理上非常简单。更重要的是,无论你在哪个参照系,比如在地球上,在太空中,在黑洞旁边,甚至在黑洞里,这个公式都是普适的,唯一不同的是方程的解不同,亦即时空结构不同。

如果只是一个平坦的时空加一点小小的扰动,就像平静的湖水被微风吹了一下,这个方程就会简化很多。方程左边的扰动项可以允许被写为对时间和空间二阶导数之和。这时如果方程右边取零的话,方程就简化为物理学家熟悉的波动方程。这个方程的解就是 引力波 ,时空本身的涟漪。

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