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基普·索恩:引力波是探索弯曲宇宙的理想工具

腾讯科技讯 11月4日,2018腾讯WE大会在京举行,本次大会的主题是“雅努斯之门”。2017年诺贝尔物理学奖获得者、加州理工学院荣誉费曼理论物理学教授基普·索恩出席了本次活动,并发表了开场演讲。

基普·索恩是世界顶尖理论物理学家,联合创建了引力波天文台LIGO,在引力波理论和观测上做出了重大贡献,并因此获得2017年诺贝尔物理学奖。值得一提的是,基普·索恩还曾担任电影《星际穿越》的科学顾问,帮助导演组设计影片中关于黑洞的影像。

谈及自己投身科学研究的契机,基普·索恩表示,当50年前,自己在普林斯顿读博士的时候被告知我们的宇宙可能有弯曲的一面,我们的时空中有一系列不同的物体——宇宙、虫洞、黑洞、奇点等等。从那时起基普·索恩就为自己设定了一个人生目标,用理论和观察探寻弯曲的世界。这也是过去的56年中,霍金、Lisa Randall以及其他很多的同事们都在共同探寻的东西。

虫洞像一根光纤 需要高级文明去创造和维持

基普·索恩向现场观众介绍了有关“体宇宙”和“虫洞”的知识。他表示,太阳周围的空间是弯曲的,我们可以想象一下,在我们的宇宙当中有一个平面,它是一个三维的平面,形成了一个膜。这个膜又生活在一个四维宇宙当中,就成为了一个体宇宙。

“我们的屏幕上能够描述二维世界,而我们生活在三维的世界当中。如果它围绕着太阳,如果它的直径只有几公里,那么这样的体宇宙是否真的存在?1962年,当时我们认为,这样的体宇宙并不存在;到了1999年,Lisa Randall告诉我们,这样的体宇宙有可能存在。

我也没有想到这一点,待会儿Lisa Randall会在她的发言当中给大家介绍体宇宙原理。如果我们看向宇宙,我们可以看到左边的太阳系和右边的仙女座。如果我们需要穿越体宇宙,我们可以把它折起来,这时它们的距离仅有几公里。

从这样的虫洞当中,光线是可以穿越的,它就像一个光纤一样。从土星到仙女座这么长的距离,只要几分钟就可以过去。”

基普·索恩表示,虫洞往往会自毁,会自己崩塌,需要用特殊材料去填充起来。这是一种反引力的效应,它能够去修复虫洞的侧壁。虫洞并不会在宇宙当中自然产生,需要有高级文明有意识的去创造和维持,再填充特殊材料,虫洞才能存在。

黑洞内时间会倒流 但我们无法回到过去

谈及引力,基普·索恩解释道,根据爱因斯坦关于时间弯曲的定律,事物总是喜欢停留在它衰老最慢的地方,而且引力能够让他们聚合在一起。地球的质量会扭曲时间,而这个时间的弯曲会产生引力,有这样的引力才让大家安坐在礼堂的座椅之上。

人类能够感到的引力是很小的,它使得地球上的时间每100年才放慢一秒。1976年,NASA第一次是高精度侦测到了这个变化,他们放了一个距离地球一万公里远的卫星,用它的原子钟进行时间的计算,再与地面上测算的时间进行对比。它的结果证明了爱因斯坦的时空弯曲定律。

越是临近黑洞,引力越强,时间越慢。假设有这样一个飞船停在黑洞旁边,在这样的飞船上,它测的时间就会比地球上要慢一半;如果它继续往下走,继续接近黑洞,那么最后时间会慢到停止。

而在黑洞之内,它比停止还要慢,时间会倒流。直到黑洞的中心,也就是起点,在这个地方广义相对论会失败,需要由量子力学来替代。

谈及时间旅行,基普·索恩表示,物理学告诉了我们时间穿越回过去会是怎么样的。事实上,时间滚滚向前,无法回到过去。比如说我旁边有一个朋友,时间会让你们向一个方向走,而不可能说我向前,而我的朋友往后走,这是物理学完全所禁止的。

但另一方面,广义相对论告诉我们,我们在太空旅行的时候,时间是一直向前。如果在当地来讲的话,有可能你在旅行还没有开始的时候便已经返回了,这是一个很奇妙的事情。

另外,量子物理学告诉我们,你的旅行会导致一个时间机的启动,但是这个时间机在启动之后,一会儿向前,一会儿向后,有可能会毁灭在一个巨大的爆炸中。

基普·索恩表示,只有量子引力学才能够准确的告诉我们实际上是怎么样的,这正是他和霍金在90年代初一同做的课题。

引力波是探索宇宙的理想工具 将引导人类宇宙观的革命

谈及LIGO和引力波,基普·索恩表示,在爱因斯坦看来,引力波以光速旅行,并使得空间弯曲。当引力波在宇宙中自由运动时,它可能会使得空间伸或者缩。这个时候就可以观测到所谓的伸缩效应。

1972年,基普·索恩开始跟自己的同事和学生一同创立了一个理论,基普·索恩认为我们能够侦测到引力波。观测引力波对于天文学的研究有着很重要的意义——过去人类所使用的观测手段都是电磁波,而现在我们可以去用引力波观测宇宙。

对比引力波和电磁波,两者有很大的不同。引力波是空间形状本身的震动。电磁波是原子分子波的不均匀叠加所释放出来的,引力波是质量和能量的牵连运动的均匀释放。电磁波很容易被灰尘或者其它的物质吸收或者分散,而引力波即使临近了宇宙大爆炸这种非常热非常密度大的地方,也不会被大幅度的吸收或者是分散。

引力波是一种去探索弯曲宇宙的理想工具,它很有可能会引导我们的宇宙观,以及对于宇宙理解的革命。

1972年,基普·索恩和自己的同事们一起提出了一个设想,并由麻省理工的教授们实现,最终发明了激光干涉引力波的观测手段。现在,一共是在20个国家有1200名科学家一起来参与,当然这其中也包括中国的科学家。

2015年的9月14号,LIGO第一次侦测到了引力波。这股引力波来源于遥远星系两个黑洞在13亿年以前相互碰撞。这次碰撞融合释放了大量的引力波。

“400年前,伽利略制造了第一个天文望远镜,他找到了木星的四个卫星;三年前,LIGO第一次观察到了黑洞碰撞所形成的引力波。在这400年里,科学有如此大的发展,甚至我们能够发现宇宙是弯曲的。

我想请大家一起想象下往后的400年,电磁波观测和引力波观测都结合起来,我们还会有更多更大的发现。”

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责任编辑:zhongyumiao
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