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[等待归档] 诺奖专题:引力300年——从牛顿到引力波(下)

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发表于 2017-10-8 09:33:51 | 显示全部楼层 |阅读模式 | 百度 
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诺奖专题:引力300年——从牛顿到引力波(下)

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引力300年——从牛顿到引力波(下)

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2017年诺贝尔奖颁发给了引力波,这是广义相对论作为引力理论的又一次胜利。而今年恰好是牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》发表330周年。接下来小编将用一篇长文来为大家讲述引力理论330年的发展历程。

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与黑洞、宇宙学一样,引力波实际上是一个非常复杂的学科,绝不仅仅是一句“时空的涟漪”能够概括的。关于引力波的科普,读者可以阅读牧夫天文之前的推送《新的引力波信号GW170814被正式公布了!》。而今天我们要谈一谈和引力波有关的人和事。

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人类首次探测到引力波





6

涟漪会旅行

——
引力波在中国

引力波,或者叫引力辐射,是广义相对论的重要预言之一。广义相对论的基本方程,即爱因斯坦方程,是一个高度非线性化的方程,爱因斯坦本人生前也并没有给出一个精确解。但是,如果将爱因斯坦方程在平直时空做微扰并线性化后会发现,这个方程存在着波动解,可得出引力辐射的极化张量的传播形式。此时,与电磁波类似的是,也可以读出引力波的传播速率为光速。就这样,早在1916年,爱因斯坦就预言了引力波的存在。

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画家笔下的引力波


在我国,引力波的研究有几座不朽的丰碑。最先将引力波研究引入中国的,是著名的理论物理学家周培源先生。周先生是我国著名的流体力学家、理论物理学家、中国科学院院士,是我国近代力学奠基人和理论物理奠基人之一,他对爱因斯坦广义相对论中的引力论和流体力学中的湍流理论的研究,奠定了湍流模式理论的基础。


在一次和杨振宁的交流之后,周培源先生意识到探测引力波的可行性,于是他就开始在国内推行引力波的探测方案。

而在广义相对论的其他方面,周培源先生一直致力于求解引力场方程的精确解,并应用于宇宙学的研究。早在二三十年代,他就求得了轴对称静态引力场的若干解,与静止场不同类型的严格解,并于1939年证实,在球对称膨胀宇宙中,若物质和辐射处于热平衡态,则宇宙必为弗里德曼宇宙。70年代末,他又把严格的谐和条件作为一个物理条件添加进引力场方程,求得一系列静态解、稳态解及宇宙解。还指导研究生进行了与地面平行和垂直的光速比较实验,以探求史瓦西解和兰佐斯解哪一个更符合静态球对称引力场的客观实际。初步结果已显示出,兰佐斯解与实际相符。80年代,周培源致力于广义相对论的基本问题,即经过坐标变换联系起来的几个解,究竟应该是一个解还是几个解。他对照流体力学中保角变换,认为这种情形应该是几个解而不是一个解。产生这种不确定的原因在于爱因斯坦方程缺少必要的坐标条件。

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我国近代力学奠基人和理论物理奠基人周培源院士

1973年春,周培源教授发表了要重视基础研究的文章,传达了周恩来总理的声音,要在中国物理学领域开拓关于引力波的研究。北京、广州两地的科学家积极响应,彼时中山大学物理学教授陈嘉言等人也决定参加引力波探测研究。陈嘉言先生用惊人的毅力,在中山大学白手起家,创建了探测引力波的实验室。1979年7月,陈嘉言出席了纪念爱因斯坦诞辰一百周年的会议,并被历史性地聘为会议顾问委员会委员。



一间不到30平方米的地下室,就是陈嘉言先生的引力波研究从零开始的地方。他不辞辛苦,将简陋的屋子改造成了引力波实验室。苦心人天不负,1976年,地下室装起了引力波天线模拟系统,随后,国家科委和教育部把这项研究定为国家重点研究项目,批准建筑专用实验室。新的实验室建造得到了全国各界和国际友人的大力支持,终于在1978年9月,中山大学引力物理研究室正式成立,主任是数学系卢文教授,陈嘉言任副主任。


然而,出师未捷身先死,由于实验意外,陈嘉言先生不幸于1982年4月9日牺牲在实验仪器上。在他逝世之后,国际引力学界纷纷为其表达了哀思。光阴荏苒,如今中山大学启动了天琴计划引力波探测项目。当天琴的琴弦被拨动的时候,不要忘记当年的植树人。

另一方面,刘辽、胡宁两位老先生也在引力理论的开拓方面做出了巨大贡献,1980年和1981年这两位理论物理学家在引力波的理论研究上发表过非常有影响力的论文。虽说先生们已经作古,但是他们的名字是我们不应当遗忘的,前辈们的研究精神将永远激励着我们这些学子在学海的浩瀚巨流中前航。

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从左到右:胡宁先生、陈嘉言先生、刘辽先生

祖国引力波研究的栋梁



7

巴山此去尚千重

——
引力理论的未来

21世纪以来,人类在物理学界取得了三项重大的进展:LHC验证了希格斯玻色子的存在,LIGO探测到引力波,而EHT也开始对黑洞进行拍摄。这三项研究都和引力理论关系密切。


台湾大学的陈丕燊教授曾把广义相对论称为“完美理论”,的确,广义相对论的精度是非常高的,例如,在某个双星系统的问题中,广义相对论的精度达到了10^-15,这是相当惊人的高精度。爱因斯坦的引力理论可能不会是宇宙的终极答案。科学家们在此基础上加以修正,就是今天所说的修正引力理论。若说引力理论的最新进展,则不得不提一个最新的疯狂猜想:GR=QM。GR即广义相对论(General Relativity),QM即量子力学(Quantum Mechanics),广义相对论=量子力学?莫要惊慌,这是今年8月份,理论物理学家萨斯坎德刚刚发表的观点,也是理论物理的最新前沿理论之一。


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永不休止的探索



为了了解一下这一理论的初衷,让我们回到上个世纪量子力学的英雄时代。在量子力学的多年发展历程之中,爱因斯坦逐渐和玻尔站到了辩论台的两端,双方使出浑身解数,为了自己的科学信仰而奋力一搏。然而爱因斯坦绝非反对量子力学,他只是认为量子力学的描述不够完备。1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森合力提出EPR佯谬似乎攻击量子力学的侧翼,即关于量子力学的定域性的讨论。然而爱因斯坦生前或许从来没想过,他在1935年提出的关于广义相对论和量子力学的两个猜想,会在几十年后以这种形式联系起来。

在黑洞热力学领域,黑洞的一个重要的热力学效应就是霍金辐射。其本质是真空不空,即真空中存在虚粒子涨落,不断有正负粒子对产生湮灭。假设存在一个已经蒸发大半的黑洞,其温度非常低,因此其视界附近的空间将会非常接近真空。此时,由于真空涨落,其视界附近会出现一个正负能量的光子对。正能量的光子往外跑,负能量的光子落入视界内部。这一对光子是纠缠的。不仅如此,霍金辐射的光子将会与更早辐射出去的光子处于最大纠缠态。通常的时空是不允许负能粒子长期存在的。但是由于黑洞的引力,负能粒子除了湮灭之外,也有可能和正能粒子一起或者独自坠入黑洞。负能粒子在黑洞内部时空中可像通常粒子那样存在,因为和负粒子一起坠进入黑洞的自由下落观测者,会认为其质量为正。

霍金辐射不可避免地带来了黑洞信息佯谬。惠勒是一位充满文艺气息的科学家,他对物理现象有着非常多生动形象的描述。对于黑洞信息佯谬,他曾经提问:“如果我把我的可乐倒入黑洞会发生什么?”我们知道,根据黑洞的无毛定理,进入黑洞的一切物体,其信息将丢失,而转化为黑洞的质量、角动量和电荷。但是,信息丢失是违背物理学基本定律的。为了解决这一疑难,1993年,伦纳德·萨斯坎德等人提出了黑洞互补原理,试图解释这一疑难。这意味着将热力学的熵与量子信息里的纠缠熵联系起来。那么黑洞中的信息什么时候会被释放出来呢?唐·佩奇对纯态黑洞进行了研究。1993年,佩奇利用信息熵建立了纯态黑洞的信息演化模型,认为年轻的黑洞不会释放信息,只有到了一定年龄的黑洞才会逐步将信息“吐”出。而2007年,又有科学家提出了有一种将霍金辐射按照时间分类的方法。即对于无穷远观察者,坍缩中的恒星会向外辐射非热谱的前期霍金辐射。这样,在事件视界形成之前,整个恒星就几乎蒸发殆尽了。因此,黑洞信息悖论至少对无穷远观察者来说并不存在。

2012年,艾哈迈德·艾勒穆海里、唐纳德·马罗夫、约瑟夫·波尔津斯基和詹姆斯·萨利以AMPS的名义提出了黑洞的火墙佯谬。该佯谬认为,黑洞会通过霍金辐射蒸发出来信息,如果在黑洞蒸发时信息是守恒的话,那么落入黑洞视界的观察者将会在视界附近看到一个温度无穷大的“火墙”。量子信息告诉我们,同一个光子不可能与两个不同的光子同时处于最大纠缠态。要解决这个悖论,最简单的办法就是让黑洞视界附近不再是真空,而是具有很高的温度,或者说“火墙”。有人认为,火墙佯谬意味着在黑洞视界附近等效原理会发生灾难性崩溃,甚至在视界之后不存在任何时空。


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类星体

为了解决这一难题,理论物理学家马尔达塞纳和萨斯坎德合力提出了一个大胆的猜想,即ER=EPR猜想,ER就是爱因斯坦-罗森桥(虫洞),而EPR就是EPR佯谬。这意味着,两个黑洞可以通过爱因斯坦-罗森桥连接起来,这种关联可以用两个黑洞处于最大量子纠缠态来解释。我们知道,爱因斯坦-罗森桥是不可穿越虫洞,因此,虫洞所连接的黑洞不会影响局域性。处于最大纠缠态的黑洞自然也不会通过超光速传输信息,在局域操作和经典通讯下,是不可能制备出虫洞连接的黑洞对来的,这与量子纠缠完全一致。

ER=EPR猜想似乎可以让我们看到早期的辐射,即黑洞被纠缠在一起。这个理论也可以看做是对黑洞内部几何的补充描述。即便如此,也可能存在火墙,但是这样火墙就没有意义了。然而,目前尚无任何可信服的虫洞的生成机制,可穿越虫洞也只是建立在有负能物质撑开洛伦兹虫洞的猜想之上。

惠勒曾经说过:“一切都是几何。”而后来他又将这句话改为:“一切都是信息。”如果ER=EPR真的被验证了,那么惠勒这句话将成为一个伟大的预言。

那么,话说回来,ER=EPR,更深层意思不就是GR=QM嘛!萨斯坎德正是从这一点出发,结合空间动力学,给出了自己的疯狂的想法。

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伽马射线暴。这也是近年来的研究热点之一,科学家们期待从其中获得宇宙的信息。

然而,这毕竟只是一种合理猜想。事实上,人类从未停止过对终极理论的探求。究竟能否统一四种基本相互作用?茫茫引力子何处觅?引力波天文还会带给我们哪些惊喜?黑洞的倩影究竟是什么模样?暗物质和暗能量之谜能否在未来十年内解开?修正引力理论何日能够“革命成功”?目前比较有名的有f(T)、f(R)等,甚至还有“复辟”牛顿引力的MOND理论。而量子引力则指的是超弦理论、圈量子理论等前沿学科。目前量子引力的研究已在全球范围内开展,温伯格、萨斯坎德、彭罗斯、威腾、霍金、格林、特·豪夫特、斯莫林等目前这个世界上最聪明的人们,以及众多年轻的学者们将不懈地探索宇宙的终极秘密。


或许,我们只是刚刚开始回答这些问题。

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霍金和埃利斯的《时空的大尺度结构》封面

这本书是广义相对论教材中的经典



撰文: 王纪尧 李鑫

配图:王纪尧 李可为 |  校对:沈智 安东升 叶君耀

编排:王纪尧

责任编辑:解仁江



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〖天文湿刻〗牧夫出品
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