广义相对论揭示奇异宇宙

中子星把相当于太阳的质量压缩到一座城市大小(示意图)。

爱因斯坦刷新了时间和空间概念,他的理论所预测的无比奇异、无比宏大的宇宙挑战着人类想象力的极限。诞生在瑞士一家专利署、成熟于德国柏林的广义相对论,是根植于对引力更深层面的新理解而提出的、有关宇宙的一种开创性理论。

全新理论 引发骚乱

在广义相对论之前,牛顿引力论已经流行了近200年。牛顿认为,引力看起来就像是不同质量之间的互相拉扯。爱因斯坦则提出,空间和时间是被质量和能量扭曲的一个统一架构。天体扭曲时空架构,就像重物压在蹦床上。时空架构的曲率引导天体运动。由此,引力被爱因斯坦全新解释。

1915年底,在柏林的一系列演讲中,爱因斯坦描述了自己的广义相对论。但直到1919年的一次日全食,该理论才引起当时学者们的普遍关注。该理论预测,像太阳这样的大质量天体可能会把附近时空扭曲到足够程度,以至于本来直行的阳光被弯曲。这样一来,遥远恒星看起来就不是精确位于被预测的位置。在这次日食期间拍摄的照片,证实太阳的位置移动符合爱因斯坦的预测。当时一家大报对此给出的头条标题是“苍穹天光歪斜科学之人狂喜”。

10年后,广义相对论引起的轰动乃至骚乱仍在继续。当时,4500人蜂拥至位于美国纽约市的美国自然历史博物馆,欲倾听科学家对广义相对论的解释。由于前来的人数大大超过演讲厅可接纳人数,人群中发生骚乱,人们拳脚相加,还有人冲破铁门。警方不得不增派人手来控制局面。

到了1931年,物理学家麦克尔森(美国首位诺贝尔科学奖得主)说,广义相对论在科学历史上前无古人,是科学思想的一场革命。我们今天已经知道,广义相对论带给我们的远远多于爱因斯坦愿意或能够预测的。该理论是观察宇宙的一种全新方式,其多重含义中有一些就连爱因斯坦本人也不想接受。然而,广义相对论的那些最奇异预测全都被证明无误。

爱因斯坦在柏林(1920年照片)。日食引起了科学界最初对广义相对论的关注。

宇宙狂野 远超想象

看上去安静、静态和有限的宇宙,实际上是一个充满活力、持续扩张的竞技场,其中不断上演“巨兽”之间扭曲时空的骚乱。星系聚集成超大的星系团,星系团的规模之巨大是科学家在20世纪之前完全无法想象的。在这些星系内不仅有恒星和行星,而且有很多奇异天体,它们的奇异说明广义相对论所预测的各种极端其实并不极端。例如,中子星就是一种奇异天体,它把一颗大质量恒星的质量压缩到只有一座城市大小。黑洞也是一种奇异天体,它如此强烈地扭曲时空,以至于任何光线都不能从黑洞中逃逸,这样一来我们根本不可能直接看见黑洞。当这些“巨兽”相互碰撞时,它们摇撼时空,发射超巨量能量。实际上,我们的宇宙非常狂暴,持续演化,充盈着由广义相对论预测、看似属于科幻理论却是实际存在的各种怪物。

科学家评价说,广义相对论为我们搭建了一座无比巨大的舞台,这座舞台上有无穷数量的角色让我们观察、探索和测试。宇宙本身就是一个无比惊人的角色:它竟然有自己的一生;它在不断膨胀;它也可能坍缩甚至死去;在我们的宇宙之外,可能还有其他宇宙。广义相对论让我们意识到,宇宙之有趣远远超过我们最狂野的想象。

广义相对论已成为今天宇宙理论的基石,但今天的宇宙理论远非完整。无论是对于神秘物质和力量,对于宇宙开端和结局,还是对于宏观科学怎样契合量子力学这样的微观科学,都还有大量问题悬而未决。一些科学家相信,要想回答其中一部分谜题,一条希望之路就是广义相对论起初被低估的含义——弯曲的光线能放大宇宙的特征。

今天的科学家继续钻研广义相对论,以寻找可能被自己忽略的线索。广义相对论正在被以前所未有的精确度进行测试。科学就是双向的奇妙:广义相对论扩展我们的宇宙视野;反过来,我们对该理论进行更严格的测试。这种测试或许会让我们发现广义相对论的问题,但迄今为止广义相对论并未被发现有什么问题。科学家相信,广义相对论将引领我们去发现宇宙的更多奇异之处,去更完整地描述宇宙图景。也就是说,广义相对论亮相100多年后,宇宙依然有很多方面尚待預测,我们将发现宇宙比我们现在认识到的更加疯狂。

巨大的星系团。

扩大的场景

爱因斯坦的广义相对论系列方程是一大源泉,现有的宇宙观正是从这个源泉中流出的。广义相对论之所以令人难以置信,部分原因是它向我们持续提出大量问题。过去百年中,科学家探测到了超出想象的一些宇宙“巨兽”,也了解到了有关我们所在宇宙的一些重要事实:宇宙正在加速膨胀;宇宙始于138亿年前的一次大爆炸;多种神秘形式的物质和能量,正在以出乎预料和几乎未知的方式塑造宇宙。

2019年,视界望远镜团队发布有史以来第一张黑洞图像。该图显示了由明亮气体盘环绕的“巨兽”——黑洞。

黑洞之说 如此由来

爱因斯坦揭幕广义相对论后的100年多一点,科学家对该理论预测的最惊人“巨兽”之一进行了视觉证实。2019年,一个全球性望远镜网络一视界望远镜显示一个巨大质量物体正在疯狂扭曲时空,以至于就连光线也无法逃离它的陷阱。这个巨大质量物体就是位于星系M87中心的黑洞,视界望远镜首次合成了它的图像。该项目首席科学家说,他原本已经意识到视界望远镜发现了某种奇异天体,但看到M87黑洞的照片后,他非常惊奇地发现这个黑洞完全符合广义相对论的预测。

在相当长一段时间里,黑洞只是数学奇观。在20世纪第二个50年之前,并无有关黑洞实际存在的证据。但这在物理学中并非罕见。某位物理学家的方程式指向一个此前未知的现象,引发人们为此寻找证据。一旦获得数据,再加点幸运,那么物理学家们通过找寻就能发现这个现象。

类星体的亮度可超过它们所在的星系。科学家起初对此很困惑,但后来发现类星体爆发由正在“进食”的大质量黑洞驱动。

说到黑洞,1916年,在爱因斯坦提出广义相对论后不久,德国物理学家史瓦西就针对一个球形物体(例如一颗恒星或行星)附近的情况,对爱因斯坦方程式给出了一种解法。史瓦西的数学推导说明了在质量相同但个头越来越小的天体(即天体越发致密)周围的时空曲率会怎样不同。根据史瓦西的解法,天体个头再小也必定有一个限度。这个限度后来被称为“史瓦西半径”。

到了20世纪30年代,美国科学家奥本海默和施耐德描述了如果一颗大质量恒星在自身引力下坍缩到史瓦西半径以下的后果——该恒星(今天称之为黑洞)的光线可能永远不会到达地球。尽管如此,爱因斯坦本人及其他大多数科学家其实并不相信这样的恒星(即黑洞)是真实存在的。

直到1964年,美国女记者尤因在报道美国科学促进会一次会议时才创造了“黑洞”这个词。也差不多到了这时候,才有间接证据表明黑洞有可能存在。几个月后,尤因又报道发现了类星体——“最遥远、最明亮、最狂暴、最重和最令人困惑的光线及无线电波来源”。虽然当时没有将类星体与黑洞联系起来,但类星体的存在表明,需要有宇宙“发电厂”来为类星体提供如此巨大的能量。20世纪60年代,X射线天文学的进展揭示了宇宙的一些新特征,其中包括可能表明黑洞正在吞噬伴星的明亮光柱。另外,在星系中心附近恒星和氣体的运动表明星系中心可能潜伏着极端致密的天体。

20世纪70年代,这位天文学家的测量结果表明,暗物质可能存在。

黑洞比宇宙的其他很多“巨兽”更极端。最大的黑洞有太阳质量的不知多少亿(多得数不清)倍,它们撕裂一颗恒星时会发射能量达200万亿电子伏特的粒子。这个能量级别是在世界最大最强粒子加速器——大型强子对撞机周围飞驰的质子的大约30倍。

随着相关证据从20世纪90年代堆积至今,科学家意识到黑洞不仅存在,而且参与对宇宙的塑造。科学家指出,那些被广义相对论预测、一度只属于数学概念的奇异天体现在变得实实在在,非常重要。现在已知,超大质量黑洞存在于大多数(如果不是全部)星系中心,黑洞发射的能量流影响恒星的形成方式和形成地点。可以说,在星系中心,黑洞主宰一切。

虽然从视觉上证实黑洞存在是最近的事,但科学家感觉黑洞就像是他们早已熟悉的事物。每当遇到未知空间、不明深渊,或者竭尽全力却回报甚少时,他们首先想到的就是拿“黑洞”这个比喻安慰自己。真正意义上的黑洞却回报丰盛:它们提供一些宇宙奥秘的谜底,又呈现诸多新的奥秘,还为我们的娱乐(例如科幻大片)提供话题。其实,只需想一想黑洞等宇宙“巨兽”的个头是多么庞大无比,它们又是多么沉重无比和致密无比,就足够让我们惊叹不已。

黑洞发出射流(想象图)。

那么,科学家究竟是怎么发现MB7黑洞的呢?下面,我们就来讲一讲这个有趣的故事。

时空之波 揭示黑洞

当广义相对论预测的“巨兽”们相互碰撞时,它们会破坏宇宙架构。时空上被称为引力波的涟漪向外扩散,是最动荡、最暴烈宇宙探戈的名片。广义相对论预测,不管是巨大的碰撞还是巨大的爆发或其他加速的巨大天体,都会产生引力波。但在很长一段时间里,发现任何类型的时空涟漪都是不可及的梦想。只有最剧烈的宇宙事件,才能产生足够大,以至于可被直接观测到的波信号。爱因斯坦称这种波为引力凸,但他并不知道宇宙中还真的存在如此巨大规模的事件。

从20世纪50年代起,当科学界仍在争论引力波是否真的存在时,美国物理学家韦伯就致力于探测引力波。经过多年努力后,他在1969年宣布探测到一个明显的引力波信号,它可能源自超新星,或者源自新发现的一类迅速自转的恒星——脉冲星。然而,此后几年中多项研究都不能证实韦伯的这个说法,也找不到所谓的引力波来源。

黑洞碰撞(想象图)。

直到于2000年去世前,韦伯始终坚持自己的这个说法,但该说法也一直未得到证实。然而,科学家们越来越相信引力波将会被发现。1974年,美国两位射电天文学家发现了一颗环绕致密伴星的中子星。随后几年里,这颗中子星及其伴星看来逐步互相靠近,这与它们向引力波失去能量的假设情景符合。1984年,有科学家指出这意味着引力波可能将被探测到。

另一种已被酝酿了几十年的不同策略,最终提供了引力波探测所需的灵敏度。2016年,依赖位于美国境内不同地点两部探测器的“先进激光干涉引力波天文台”(简称LIGO)团队,宣布首次证实引力波存在。其中每一部探测器把一根强力激光柱一分为二,其中每个分支沿着探测器的两条臂中之一传播。在不存在引力波的条件下,这两个分支重新合并,相互抵消(匹配)。但如果有引力波拉伸探测器的一条臂,同时压缩另一条臂,那么激光就不会匹配。

这两部探测器是令人难以置信的工程奇迹——就算两个黑洞相撞所发出的时空涟漪对探测器一条臂的拉伸度仅为一个质子直径的万分之一,探测器也能够感知自己的臂被拉伸的幅度。第一次探测到引力波(来自两个黑洞相撞)的消息发布,被认为开启了天文学新时代。这一消息理所当然是2016年最大的科学新闻之一,MGO团队首席科学家赢得了次年的诺贝尔奖。

LIGO团队和意大利处女座引力波探测器团队迄今已记录到数十次引力波,其中大多数源自黑洞合并,也有一些源自中子星。引力波已经揭示了一些之前未知的重元素诞生地,还揭示了亚原子粒子的一种明亮射流,这种射流可能为破解伽马射线(一种高能光神秘闪耀)之谜提供线索。引力波也表明中等质量黑洞(质量为太阳的100~10万倍)的确存在,并再度證明爱因斯坦理论至今尚未被发现破绽。

发现引力波仅仅5年,一些科学家已经在期待宇宙中更奇异的“巨兽”露脸。例如有科学家提议,通过引力波探测环绕虫洞的黑洞。事实上,引力波天文学也真的才刚刚起步。通过提升现有地面探测器的灵敏度,将可能探测到来自更遥远处、能量强度不那么高的引力波。包括计划于2030年前后发射的引力波空间探测器在内的未来探测器,将避开地球地面晃动所造成的干扰。科学家认为,未来最激动人心的可能将是观测到一个小黑洞坠入一个大黑洞。在这样壮丽无比的事件中,小黑洞将会在几年中前后飞奔,往不同方向旋转,就好像它的轨道高度偏离正圆。如果真是这样,那么爱因斯坦方程式将通过终极测试,我们将由此发现自己是否真正理解了在极端意义上时空怎样被扭曲。

意大利室女座探测器探测到了黑洞的存在。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午8:52。
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