2016年2月标志着宇宙学和天文学中最重大的发现之一:LIGO团队宣布他们探测到了引力波，这距离阿尔伯特·爱因斯坦预言引力波已经过去了100年。科学家们相信这将彻底改变我们研究宇宙的方式。但是这些引力波是什么呢?它们是如何被发现的?这一发现将如何改变我们对宇宙的认识?格雷哈·杰克逊发现……
在这一集里
什么是引力波?
与不同的
科学家宣布在100年前发现了这些难以捉摸的时空涟漪
在阿尔伯特·爱因斯坦预言它们之后，但它们是什么?为什么花了这么长时间才找到他们?在大卫·马什、希拉·罗文、乔恩·考夫曼和诺娜·罗伯逊的帮助下，格雷哈·杰克逊在宇宙中寻找……
女士们先生们，我们探测到了引力波。我们做到了。
(掌声)
希拉-我们从一个办公室跑到另一个办公室，告诉他们你看到这个了吗?你知道，这太棒了，非常棒。
乔恩·考夫曼:我们将以一种全新的方式来看待我们的宇宙，这是非常令人兴奋的。
Norna Robertston:就好像我们现在既能听到天空，又能看到天空，所以它是不同的物体，不能以任何其他方式看到。
大卫·马什:我们可以看到一些很酷的事情，比如黑洞碰撞。这真的开启了一个新时代。
格雷哈——……考虑到这个播客都是关于天文学的，如果我不谈论它，那就是犯罪。
当我收到罗宾·拉伦的一封电子邮件时，这种情况变得更加强烈了……
Robin:就在一个多星期前，关于引力波有很多的噪音和胡言乱语，当然，我对此一无所知，不知道它们有什么重要的。但这看起来很有趣爱因斯坦在一百年前就说过引力波应该存在。这在我的脑海中是有意义的，然后我想起了另一个播客，他们试图解释爱因斯坦的广义相对论，即不存在真正的引力。这来自同一个爱因斯坦，他说有引力波，然后没有引力波。所以它只是空间中的曲线然后它对我来说就没有任何意义了。
Graihagh -你有点想知道这里到底发生了什么!
罗宾-是同一个人-他是个天才，所以他应该有自己的事实。
Graihagh——所以这个月的《裸天文学》——引力波，带着大爆炸的暗示。
好吧。引力波。光着身子。我们开始吧，它们就像大海里的波浪，或者一块石头掉进池塘里的涟漪。太空中有一个非常大的事件，就像黑洞碰撞，甚至我们的宇宙在大爆炸中诞生——如果我们继续用池塘的比喻，一块巨大的石头，见鬼的巨石!-会掉进去，你可以想象大量的涟漪传播出去，这种干扰在时空结构中产生了波和涟漪
所以，如果你现在跳舞，(像我一样)咚咚咚咚咚，你实际上是在创造引力波!剑桥大学的David Marsh和我都认为这个想法很酷。
大卫-是的，确实很酷。小得无法探测，但不管怎样，你今晚正在制造引力波。
Graihagh -这种涟漪的影响弯曲和拉伸空间和时间，一个检测到震动探测器20毫秒…所以这是否意味着当引力波穿过我的时候，我会暂时变瘦变高?还是变胖变矮?虽然只有几分之一秒?乔恩·考夫曼，加州大学圣迭戈分校……
乔恩:是的，但这是有趣的部分——真正让LIGO如此不可思议的是，你判断自己是高是矮，是胖还是瘦的方式也会拉伸，所以你的尺子会拉伸……
Graihagh——这就是为什么它们很难被探测到的部分原因——巨大的、巨大的、红红的、巨大的东西只会把时空扭曲一个质子的宽度。尽管看起来难以想象，微小的物体，爱因斯坦不知何故梦想他们....
诺娜——引力波是爱因斯坦在一百年前提出的广义相对论中的一个预言，这是他的理论中最后一个有待证明的部分。现在我们已经做了这个解剖，我们已经证明了引力波在他们预测的一百年后仍然存在。
Graihagh:真是及时，不是吗?这是故意的吗?
诺娜:不，这当然不是有意为之，但这是非常及时的，而且在一百周年之际发生，这真是太好了。
来自加州理工学院的Norna Robertson(顺便说一句，我们会在节目的后面听到更多关于这些人的细节所以，请听我说)
现在，艾萨克·牛顿解释了苹果是如何从树上掉下来的——有质量的物体是相互吸引的——但没有解释为什么。这就是爱因斯坦发挥作用的地方。爱因斯坦说，嘿，它们相互吸引的原因是因为大质量物体弯曲了时空结构…又是大卫·马什……
大卫:一种思考方式是，时空就像一个床垫，如果你愿意，如果你把一个很重的物体放在这个床垫上，它会下沉，周围的床垫会向上弯曲。这就是重力的作用。所以如果你有一个像我这样的重物(任何重物)…
Graihagh -或者甚至像太阳一样的东西?
大卫:甚至是太阳——稍微重一点……
Graihagh -只是一点点……
大卫-是的....在它周围弯曲时空。
Graihagh -这把我们带到了Robin关于引力、爱因斯坦和牛顿的问题。牛顿认为万有引力是一种力;爱因斯坦认为大质量的物体——太阳、月亮和恒星，在大卫的类比中，一个保龄球——会在时空中产生曲率，这就是我们所感受到的引力。
在广义相对论中，引力不是质量之间的力。这是时空扭曲的结果。
如果我们回到引力波——当大质量物体碰撞时，它们会在时空结构上产生涟漪，就像你把保龄球扔到床单上一样。多年来，我们一直在试图探测这些东西，这些涟漪——人们把他们的整个职业生涯都花在了这上面!本月，LIGO团队发现了它们。
LIGO团队发现了什么?
与加州理工学院和格拉斯哥大学的Norna Robertson教授合作
LIGO团队从美国宣布了结果，但有一个特别的
在伦敦召开的英国记者和学者会议上，格雷哈·杰克逊遇到了加州理工学院的诺娜·罗伯逊，她帮助发现了这些难以捉摸的东西……
女士们，先生们。我们探测到了引力波。我们做到了。
(掌声)
格雷哈-但他们是怎么做到的?
他们在美国宣布了结果，但我们英国人在伦敦举行了一次特别会议，在那里我遇到了加州理工学院的诺娜·罗伯逊，她帮助发现了这些难以捉摸的东西……
Norna -我们看到的事件是两个黑洞在一个双系统中相互绕轨道运行。所以它们互相绕着对方转它们也在向对方移动因为它们在绕着对方转的时候失去了能量所以它们加速，绕着对方转，越来越快，直到它们最终合并。最终的激励和合并发生在几分之一秒内产生了巨大的引力波爆发。
Graihagh -这就波及了整个宇宙。它要多久才能到达我们这里?
Norna -这个事件发生在大约10亿年前，10亿光年之外，它花了那么多时间在太空中波及到我们，并在2015年9月14日穿过地球。
格雷哈:这真的很了不起，不是吗?
诺娜:这太了不起了。这是美妙的。有很多很多的人参与到开发探测器和开发所有的分析技术中，对我们所有人来说，这真的是一个重要的时刻。
LIGO是如何探测到它们的?
与格拉斯哥大学的Sheila Rowan教授合作
假设这些引力波对时空的扭曲小于宽度
对于质子，它们是如何被探测到的?希拉·罗文向格雷哈·杰克逊介绍了a-LIGO的设置……
希拉:当它们产生的时候，当然，两个黑洞碰撞会产生大量的能量，但是这些能量会分散开来，在宇宙中传播。所以，当它到达地球的时候，它是一个很小的信号，这意味着我们很难制造出足够灵敏的仪器来检测它。我们的方法是，我们从激光中获取光，我们把激光分成两束，然后沿着，实际上，两条四公里长的路径发射出去，它会在路径的末端碰到镜子。这些镜子把激光反射回来，然后光加起来，加起来你会得到一个亮点，还是会抵消掉，你会得到一个黑点，这取决于光在这四公里的路径上走了多远。当引力波到达时，它改变了臂的长度(我们称之为臂)光传播的路径，基本上，它是通过摇动我们放置的镜子来实现的。问题是它并没有真正摇动它们——它摇动这些镜子的大小大约是原子内部质子大小的万分之一……
Graihagh -那你怎么衡量呢?
希拉:这是一个巨大的挑战，这也是我们花了几十年时间来做这件事的原因之一，有很多关键的事情。当然，有一件非常重要的事情，就是把那些引力波将要震动的镜子拿起来，确保没有其他东西会震动它们。所以，我们不能把它们放在地上，因为地面一直在移动。这就是我们所说的地震运动——地面震动。它因遥远的地震而摇晃;只要有人开车经过，它就会摇晃，所以我们不能这么做。相反，我们要做的是拿起镜子，把它们挂起来，实际上，挂在非常精细的超纯玻璃纤维上。我们为什么要这么做呢?悬挂镜子实际上是把它们与地面隔离开来。如果你要挂东西，你要建一个机械过滤器; it filters out noise, the ground noise. But, those glass fibres are special because every single atom in those mirrors, and in the fibres that hand it, it's shaking slightly. It's just at room temperature - everything that has is just at room temperature is shaking a little bit. That's what we call thermal energy and making these fibres out of glass and these mirrors out of glass - and to give you some perspective those mirrors are 40 kilos, they're not small - both isolates, filters out the ground motion and keeps that thermal motion low. So what we've done is make mirrors that are almost motionless; they're hanging there just waiting for a gravitational wave to come by and shake them.
Graihagh -哇!所以我们探测到了其中一个引力波。花了多少20毫秒?这就是摇晃镜子的时间，对吗?我们已经探测到一个了，下一个是什么时候?
希拉:这是个好问题，我们还不知道答案。我们确实有更多的数据。我们在这里检测到的事件来自于目前我们得到的数据的一小部分，这就是我们有时间分析的全部。我们确实有更多的数据，我们只是还没有时间去看里面有什么。所以我们可以检查并宣布如果那里有什么，或者看到它。所以，我们不知道。你得等我们的消息，但我们正在努力寻找。
但是BICEP之前没有检测到它们吗?
与剑桥大学的David Marsh博士和加州大学圣地亚哥分校的Jon Kaufman博士合作
2013年，一群美国天文学家使用一种名为
BICEP宣布他们发现了引力波。这些与LIGO的发现有何不同?为了找出区别，大卫·马什和乔恩·考夫曼带着格雷哈·杰克逊回到大爆炸时代，翻阅了裸体科学家的档案……金宝搏app最新下载
今年3月，美国BICEP天文学家团队声称已经找到了长期寻找的宇宙膨胀的证据——宇宙膨胀的机制之一，支持宇宙大爆炸后瞬间发生的事情，当宇宙开始时。通货膨胀理论已经存在了几十年，其结果在科学界引起了相当大的轰动，有人说诺贝尔奖将授予相关的天文学家……
Graihagh - Chris提到的证据是引力波的间接探测，它是由一组美国天文学家使用BICEP望远镜发现的。但这些引力波与本周宣布的引力波不同，实际上，BICEP的证据已经受到另一颗名为普朗克的卫星的质疑。这到底是怎么回事?为什么这些引力波有相同的名字却可能不同呢?为什么科学家不给它们取另一个名字呢?
为了找出区别，我们必须回到大爆炸(我保证过会发生大爆炸，不是吗?)，还有一种叫做膨胀的理论——它解释了宇宙是如何从很小很小的东西变成今天我们宇宙的巨大空间的……
大卫:好吧。我叫David Marsh，我的头衔是剑桥大学应用数学与理论物理系理论宇宙学中心的Stephen Hawking高级研究员/高级研究员。
grahagh -我觉得我有你的邮政地址，对吧?这是一个很长的标题……
大卫-这是一个很长的标题，是的。
Graihagh -这是否意味着你和斯蒂芬·霍金的工作?
大卫-我见过他，但我现在没有和他一起工作。
格雷哈:哦，好吧。这就对了。
大卫:暴胀就是宇宙的膨胀，但是膨胀的速度加快了。所以在任何给定的时刻，每个空间块都会产生另一个相同大小的块，然后这两个块各产生一个块，然后你有四个块，然后这四个产生另外四个，然后这八个产生另外八个，以此类推。
你的数学比我的好多了……
大卫-所以这是空间的指数级扩张。暴胀是由某种能量密度驱动的而这种能量密度的量子涨落，在很小的范围内，会在暴胀过程中被拉伸因为空间膨胀，所有东西都被拉伸。所以最终，这些量子涨落可以变得和宇宙一样大。
量子涨落是空间中某一点在一段时间内能量的变化。它之所以重要是因为这些微小的能量变化是我们宇宙中物质和结构的种子。换句话说，这些波动创造了星系、恒星、行星，以及引力波。这些微小的波动现在已经被膨胀所拉伸，而且绝对巨大，几乎无法察觉，正如大卫刚才所说的……
大卫:所以最终，这些量子涨落可以变得和宇宙一样大，甚至更大。
Graihagh -这有点令人难以置信。
大卫:是的，很安静。
grahagh -如果它们达到那种规模，我们怎么知道它们在那里?
大卫-是的，这就是问题所在。如果我们没有任何观测证据，我们大多数人都会把它当作一个理论而不予理会。有趣的是，在暴胀理论中，这些被拉伸的量子涨落是我们在天空不同方向上看到的微小温度涨落的原因。所以当我们用微波波长观察天空时，我们会看到宇宙微波背景，它看起来几乎是完全平滑的。几乎所有地方的温度都是一样的所以我们可以计算温度为2.7开尔文，也就是-271度。
grahagh -很冷吗?
大卫:冷，是的。然后你可以计算它，第一，第二，第三，第四，在第五位它开始变化如果你在空间的不同方向上看。所以在这样的精度水平或温度水平下，它开始在不同的方向上波动。
Graihagh -你知道是谁连续几天仰望天空，观察宇宙微波背景，试图用引力波探测一些暴胀的证据吗?这是来自加州大学圣地亚哥分校的乔恩·考夫曼。他使用的望远镜的名字叫BICEP，也就是Jon，我眼中的BICEP人....
你知道暴胀理论——大爆炸背后的那种爆炸——是我们对宇宙如何形成的最好理解。这样就会产生一些引力波，在整个宇宙中荡漾。我们今天没有使用像LIGO这样的仪器，我们看的是138亿年前的引力波，当时这些引力波在最后一次散射的表面上要强得多。这个宇宙微波背景是非常非常热，非常稠密的早期宇宙和现在的宇宙之间的过渡我们现在用望远镜观察时更容易辨认。
Graihagh -换句话说，这些引力波会在CMB上留下印记——更热或更冷的斑点——这就是乔恩用BICEP望远镜寻找的东西，然而，它位于相当不方便的地方，南极……
你能听到的是乔恩和他的同事们骑着雪橇前往望远镜的视频。他们穿得太多了，一点肉都看不见，尽管这是一个美丽的蓝天和阳光明媚的日子。
乔恩:虽然很累，但我喜欢在那里。它是如此独特;这真的很奇怪;你真的觉得你在另一个星球上;没有什么可辨认的。当你在南极的时候;没有功能;没有植物;有动物;意思是没有昆虫。 Imagine a world where there's no flies or spiders around.
grahagh -我想知道的是为什么那里没有企鹅?
乔恩:是的。没有什么能在南极生存。
格雷哈:那么当你观测宇宙微波背景(CMB)时，你在寻找什么呢?
Jon -我们的望远镜所做的就是在我们的天空中寻找相关性我们测量宇宙微波背景的温度，E模偏振和B模偏振。所以这是一个非常不同的望远镜当你想到一个大望远镜时。它实际上相对较小，你知道，它只有几米高，在我们所有探测器所在的焦平面上大约30厘米，它不是一个大盘子，它是一个折射器，有点像伽利略过去盯着天空的东西。只有几个镜头，而不是目镜，你知道，这些超导探测器，这是我们使用的先进技术，例如，BICEP2。所以在BICEP中我们没有检测到任何东西，BICEP2已经在工作中，它将在灵敏度方面增加大约10倍。所以一年的BICEP2测量等于10年的BICEP1测量。
Graihagh -那么你在寻找的两极分化是什么?
光是一种电磁辐射。这意味着有一个振荡的电磁场如果它有一个喜欢振荡的方向。想象一下，如果你拿着一根绳子，你上下挥动你的手，你就会在绳子上产生一种波，它在一个方向上极化——上下方向。如果你左右挥动你的手，就会产生左右偏振波。它只是意味着你产生的波有一个优先轴。
格雷哈:好吧。这就是你检测到的?
乔恩:对。在这个宇宙微波背景时间，只有引力波能产生B模偏振。很明显，我们很早就看到了一些东西，我们都不相信。我们都认为这是某种系统性的污染，所以我们开始着手，很长一段时间，只是试图说服自己，我们所看到的不是真的。还有各种疯狂的想法，包括我最喜欢的一个，我们在南极用来上网的通信卫星可能干扰了我们的望远镜。所以我们排除了所有我们能想到的可能性。你知道，没有什么不好的想法，当最后所有的想法都被排除在外时，看起来这一定是在天空中，所以，当然，这是非常令人兴奋的。我们没有人——你知道，兴奋花了很长时间才建立起来，因为我们非常确信这是错误的，那里什么都没有。所以即使在我们写论文的时候它也有点-好吧，我们看到这个东西，它看起来是真的，让我们继续。你知道，我们会继续——我们会继续做科学研究。 And then of course we published and we made the announcement. It was very exciting and it was starting to hit me that this is something that people might be interested in. You know, people, not just us. Articles starting popping up - New York Times and NPR, everything. All sorts of news sources from reputable to crazy ones. We're all starting to talk about it and there was so much interaction going on that I was just too excited. I just wanted to like shout it from the mountaintop - and then things got very interesting.
grahagh -事情确实变得有趣了。为什么?因为灰尘……是的，你没听错。超新星或彗星等产生的尘埃都会产生尘埃，这些尘埃会在CMB中产生与引力波相同的极化……
Jon:当我们构思BICEP的时候，我们的想法是看着天空中最空旷的一片，当然，问题是，你所说的空旷是什么意思。我们看的是尘埃的地图，你知道，你说这里有一个小洞，从南极全天候可见-让我们这样做。在我们测量之前，我们所做的是观察尘埃的强度，你预计会有一定程度的极化，然后计算出它会污染信号的程度，而这远远低于我们所见过的任何信号。所有这些都是模型，但看起来尘埃水平很小。之后发生的事情是普朗克卫星的测量结果显示，与我们想象的相反，尘埃的强度越小，实际上，尘埃的极化率越高，这意味着情况更糟。这并不意味着如果你从星系的中心看会更好，因为那里有很多尘埃，但这确实意味着在我们观察的边缘，尘埃的偏振率比任何人预期的要高得多。我们的结果，确实给这个领域注入了很多来自外部的兴奋，然后是普朗克的争议，当然，每个人都喜欢争议，每个人都喜欢战斗。
grahagh -他们当然有!但最近发生的事件，比如黑洞，产生的引力波已经被探测到。这是爱因斯坦相对论的最后证据之一所以乔恩应该收拾行李走人吗?不，显然不是。
乔恩:所以这些引力波，像BICEP这样的实验和其他许多实验，正在寻找……非常重要，因为它们是暴胀理论的极端证据。暴胀理论确实是，我的意思是已经有很多证据证明它是最重要的理论之一，我有一点偏见，但我认为这是人类发展出来的最重要的理论之一，它解释了我们为什么会在这里。你知道，为什么宇宙看起来像现在这样?为什么它容易受到恒星、星系、宜居世界和生命的影响?宇宙是如何形成的，暴涨理论回答了这个问题。所以虽然有大量的证据，但它的确凿证据还没有被发现，那就是这些引力波。
这对天文学意味着什么?
与格拉斯哥大学的Sheila Rowan教授合作
引力波在物理学和天文学领域引起了轰动
但为什么呢?这类事情的更广泛含义是什么?格雷哈·杰克逊与希拉·罗文坐下来讨论这将如何彻底改变我们对宇宙的看法……
希拉-这些引力信号来自那些可能不发光的物体。黑洞被称为黑色是有原因的。我们探测到的两个黑洞碰撞，这种事件可能不会产生任何其他光信号或光，电磁信号，x射线。我们只是不知道，但有可能它除了引力信号外什么都不产生。这意味着，有了这些探测器，我们第一次有可能感知到宇宙中一系列全新的事件，这些事件是我们用其他方式无法看到的。这也意味着宇宙中还有其他种类的东西，有些东西确实会产生可见光或其他光，比如超新星。我们用现有的望远镜观测到这些，但总的来说，我们通常看到的是恒星爆炸的外部。我们也会得到一些叫做中微子的粒子，它们来自内部，但我们看到的大多是外部。引力信号，因为它们产生的方式，它们来自于实际的物质，恒星爆炸的质量，所以我们可能，实际上，能够深入了解其机制——当恒星爆炸时，它内部到底发生了什么。我们目前对此有一些理论，但我们实际上并不知道。 We also may see whole different classes of things, types of events like neutron stars, very exotic stars. We don't know exactly what the material is inside a neutron star. It's under such pressure, high density. You couldn't even try and replicate that on earth - space for that is our laboratory. Neutron stars smashing into one another, a neutron star being eaten by a black hole. Those are all the fascinating things to try and see the gravitational signals from and as we improve our detectors, make them even more sensitive, we will be able to sense these kinds of things of an even larger volume of the universe. Right now we're just starting to be seeing these things, hearing these things. In fact, as time goes on we'll see further back in time and possibly one of the most interesting prospects is - what we don't know.
我们对宇宙中可能存在的东西有所了解，但这是我们第一次能够感知到宇宙的引力。每次打开望远镜，无论是x射线，紫外线，伽马射线，所有这些望远镜，人们都会看到他们意想不到的东西。所以，我认为我们可能会从我们还没有想到的新事物中看到引力波。
Graihagh -听起来有点像科幻小说，但我设想的方式是，你不知道的事情，一些未知的未知，我们可能最终能够探测到。一个新时代。
希拉-我想那是对的。这是一种研究天文学的全新方式，我认为在未来的几年里，这将是非常令人兴奋的。
这是一个非常棒的领域。我知道我想成为一名科学家，想成为一名物理学家，我想从我大约九岁开始，当我还小的时候，我想不出生活中有什么比研究这些大问题和宇宙更令人兴奋的事情了。当你走出去抬头一看，这一切从何而来?外面有什么?它能走多远?我很幸运，我的一生都在这个领域工作，我希望....这是一种奇妙的生活，我真的希望我们能看到更多聪明的年轻人进入物理学领域，想要走这条路，因为这是一件非常愉快的事情。
Graihagh -看这个空间…
希拉-或者就像我在格拉斯哥的同事常说的“看这个时空。”
- 以前的为什么我们会紧张不安呢?
- 下一个强迫——做坏人很容易
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