@ 2019.03.03 , 13:00

一次短暂的引力波探测

发表于1969年和1970年、有关发现名为引力波的时空涟漪的报告,被证明是错误的。但这鼓舞了持续至今的努力。

图片:Joseph Weber调整了他的一个铝制圆柱上的仪器。他宣称以此检测到了名为引力波的时空涟漪。

2005年是1905年爱因斯坦“奇迹年”的百周年纪念,为此人们设立了世界物理年。以此为契机,我们将介绍与爱因斯坦成就相关的物理评论旧档中的论文。

1918年,爱因斯坦用他新的广义相对论来证明,时空中的涟漪可能存在并且会以光速移动(译者注:这其实在1916年就已经被证明了。)。1969年和1970年,《物理评论快报》的两篇论文报告了这种引力波的第一次探测,它们看似来自我们银河系的中心。这一发现后来不再被相信,而其背后的研究人员也备受争议。但他的想象力和决心,鼓舞了其他物理学家寻找引力波,这一追求今天仍在继续,如激光干涉引力波天文台(LIGO)项目(译者注:LIGO已经于2015年成功地直接探测到引力波,并于2016年发布,这两个年份恰好分别是广义相对论跟引力波理论发表的百周年。)

引力波实质是行进的时空几何畸变,会使它遇到的任何物体实体的形状产生晃动。为了检测这种扰动,马里兰大学学院市分校的Joseph Weber制造了一些长约2米、直径约1米的实心铝制圆柱体,并悬挂在钢丝上。通过的引力波将使其中一个圆柱体以其约1660赫兹的共振频率振动。牢牢固定在圆柱体腰部周围的压电晶体会把振动转换成电信号。

Weber竭尽全力将圆柱体与机械振动以及局部的地震跟电磁扰动隔离开来。他声称,背景噪声的唯一主要来源,是铝原子的随机热运动。这种热运动导致圆柱体的长度以大约10^-16米的幅度发生不规律变化,这小于质子的直径,但预期的的引力波信号也不比它大很多。作为通过的引力波的证据,Weber在数据中寻找超出某个“阈值”的振动。阈值用于表征背景噪声,但Weber并没有对它作出前后一致或准确的定义。

Weber的检测证据基于,在相同的半秒时间内,于多个圆柱中观察到超出背景噪声的信号。在看到两个马里兰州圆柱之间的一些符合事件之后,Weber将他的一个圆柱移到位于约一千公里外、在芝加哥附近的的阿贡国家实验室。1969年,他在《物理评论快报》报道了81天内在这两个地点发生的二十多次符合探测。他计算出,一些信号是如此之强,以至于偶然符合只会在数百年或数千年内发生一次。他认为,这是引力波的“良好证据”。第二年,他声称在7个月内检测到311个符合信号,并且定向集中,都指向银河系的中心。

第二次公报尤其引起轰动。现于加州大学戴维斯分校工作的Tony Tyson,在当时和同事一起制作了一个“Weber棒”,世界上其他一些团队也是如此。但除了Weber之外,没人能看到任何随机噪音以外的东西。Weber是一名电气工程师,后来转为物理学家。他对数据分析知之甚少,Tyson说,“结果是,他因此而倒台。”人们逐渐发现,Weber评估信号符合的标准并不明确,且有主观成分。到了20世纪70年代末,除Weber之外的所有人都同意,他宣称的检测是虚假的。

更重要的是,如果Weber信号的强度和频率是真的,则意味着天上充满了不远处发生的天体物理事件,其强度达到超新星喷射引力波的水准。但Tyson说,Weber主张的失效,只是让其他研究人员更加努力尝试。今天,路易斯安那州和华盛顿州的两个LIGO天文台,在数公里的范围内,使用光学技术,来寻找时空畸变的表征(译者注:这是2005年,现在这种表征已经找到)。Tyson说,Weber值得称赞,因为他把其他人带进了这个物理学领域。“是困难吸引了我们。”

更多信息

Marcia Bartusiak,Einstein’s Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time (Joseph Henry Press, 2000)。中译本:爱因斯坦尚未完成的交响乐,李红杰 译,湖南科学技术出版社,2007年。

J.L. Levine, Early Gravity-Wave Detection Experiments, 1960-1975, Physics in Perspective, 6: 42 (2004). (英文,收费论文)

LIGO主页(英文)

Einstein@home(英文)让人可以用他们计算机的空闲时间来帮助寻找引力波。

Physics Today文章(英文)关于爱因斯坦1936年一份被《物理评论》拒绝的有关引力波的稿件。

刘寄星,爱因斯坦和同行审稿制度的一次冲突,物理,2005,34(07)。与上文相似的一篇中文论文。

原文作者:David Lindley
原文作者简介:David Lindley是美国弗吉尼亚州亚历山大市的自由撰稿人,也是Uncertainty: Einstein, Heisenberg, Bohr, and the Struggle for the Soul of Science (Doubleday, 2007) (中译本:科学之魂:爱因斯坦海森堡玻尔关于不确定性的辩论,李永学 译,浙江人民出版社,2018年)的作者。

本文译自 physics,由译者 cmp0xff 基于创作共用协议(BY-NC)发布。
注意,这是2005年的旧文章


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