BBC爱因斯坦未完成的交响乐(Einsteins Unfinished Symphony)[DVDRip]

中文名称：BBC爱因斯坦未完成的交响乐
英文名称：Einstein's Unfinished Symphony
资源类型：DVDRip
发行时间：2005年
地区：美国
语言：英语
简介：



本片讲述爱因斯坦对引力波的预言。

根据广义相对论，行星之所以环绕太阳是因为它们沿弯曲时空的最短路线行走.

如果太阳突然消失，它周围的时空会发生改变。依据爱因斯坦的理论，在水星附近的时空会比在冥王星附近的时空先发生改变，所以谁星会先飞出轨道。这些时空的改变以引力波的形式传递。

把引力波想象成投入池塘中的石头引起的水波可能会帮助理解。当石头投入水面时，在石头周围的水就立刻被扰动，并且扰动会从那里传播到其他地方。相似的，大质量物体的质量或者速度的突然改变会扰动周围的时空，然后这些扰动会用引力波的形式传播出去。

当引力波在空间中传播的时候，它们会引起时空的变化。这就意味着物体的形状会由于引力波的通过而发生震荡。想象一束引力波通过一本书时候的情景：那本书会先被伸长，再被缩短，如此反复。在一个给定的时间内，书的厚度会增加，而书的高度会减少。

引力波的强度决定了物体形变的程度。这取决于它来自什么类型和尺度的时间。只有大尺度的事件发出的引力波我们才能探测到。

举个例子，两个黑洞的碰撞产生的引力波可以让空间以大约 10~18 米每千米的程度改变。换句话来说，两个黑洞的碰撞产生的引力波会使帝国大厦的高度改变一个质子宽度的百分之一。这就是为什么引力波的探测如此困难的原因。

幸运地，科学家现在可以建造进行如此精确的测量的仪器了。

来自黑洞碰撞的引力波会使帝国大厦的高度改变一个质子宽度的百分之一。一个质子宽度是原子宽度的千分之一，原子宽度是一根头发宽度的百万分之一，一根头发宽度是一毫米的一千分之一。

ii

一、引力波和引力波探测的重大科学意义
　　爱因斯坦广义相对论将引力场和时空结构联系起来。它指出，质量的存在导致时空弯
曲(图)。广义相对论曾给出四个着名的预言：光线弯曲、引力红移、黑洞存在和引力波存
在。引力波存在是广义相对论最重要的预言，对爱因斯坦引力波的探测是近一个世纪以来
最重大的基础探索项目之一。 引力波存在的间接证据是由Hulse和Taylor首先得到的。19
74年，他们发现了脉冲中子双星PSR1913+16并对它的轨道运动周期进行了长期观测。根据
广义相对论，中子双星系统在作轨道运动时，会辐射出引力波而使轨道变小，周期变短，
Hulse和Taylor的观测结果与广义相对论符合得极好。Hulse和Taylor荣获1993年诺贝尔物
理学奖。
　　国际引力波社会奋力推进引力波的直接探测，其近期目标当然是瞄准诺贝尔物理学奖
。不失时机地实施中国引力波探测计划，也将是我国科学界向诺贝尔物理学奖冲击的一个
极佳时机。除验证爱因斯坦引力波预言之外，基于引力波探测的引力波天文学将是继传统
电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后人类认识宇宙的一个新窗口。引力波的
探测对于研究宇宙的起源和演化都有极其重大的意义。
　　二、引力波探测的历史、现状和发展趋势
　　人类对引力波的直接探测已有近40年的历史。首先采用的探测装置是共振棒。但是，
由于引力波的强度极弱，共振棒灵敏度低，探测引力波的目的难以实现。1956-1972年，P
irani, Weber和Weiss 等先后提出了用激光乾涉仪探测引力波的设想。激光乾涉引力波探
测仪的主体是一台激光迈克尔逊乾涉仪。在无引力波存在时，调整臂长使从互相垂直的两
臂返回的两束相乾光在分光镜处相乾减弱，输出端的光电二极管接收的是暗纹，无输出信
号。引力波的到来会使一个臂伸长另一臂缩短，使两束相乾光有了光程差，破坏了相乾减
弱的初始条件，光电二极管有信号输出，该信号的大小与引力波的强度成正比。1970-198
0年代，美国加州理工学院和麻省理工学院开始研制激光乾涉仪；1990年代中期，分别在华
盛顿州的Hanford和路易斯安娜州的Livingston开始建造引力波探测站，并于本世纪初相继
建成臂长4000米、2000米的激光乾涉仪引力波探测仪共三套。在此其间，意大利与法国合
作建造臂长3000米的激光乾涉引力波探测站Virgo, 德国与英国合作建造臂长600米的激光
乾涉引力波探测站GEO, 日本建造臂长300米的激光乾涉仪引力波探测站TAMA。 激光乾涉引
力波探测仪的灵敏度比共振棒高出3--4个量级，可探测的引力波源是共振棒的109--1012倍！
激光乾涉仪引力波探?庖堑某鱿质挂Σǖ奶讲庥辛顺ぷ憬剑?光乾涉引力波探测仪已成为
引力波探测的主流设备。2003年，澳大利亚Parkes 64米射电望远镜发现了短周期中子双星
PSRJ0737-3039，这表明，可探测的引力波事件的数目比原先估计的要高一个量级。 据估计，
引力波探测极有可能在今后10-20年内取得重大突破。此外，欧洲、美国和中国科学家建议，
2017年后发射空间卫星，实施引力波的探测。

iii

引力波(gravity wave)是由于物质的运动产生的连续曲线波纹。虽然目前还没有检测出来，但是很早就已经认可它的存在了，引力波第一次是在爱因斯坦广义相对论中假定的，广义相对论预示了一个加速质量在它失去能量的时候将发射出引力波。例如，两颗脉冲星（以规则脉冲进行辐射的天体）在相伴的轨道上各自运行，当其轨道衰减的时候，他们就将发射出引力波。根据热力学第一定律，物质和能量都是不成创造和毁灭的，但它们之间可以相互转换，伴随轨道衰减而损耗的能量就会以引力波的形式发射出来。依据理论，引力波以近似光速进行传播，并且穿过物质的时候不会使物质发生改变，虽然有时可能会有无穷小范围的拉伸和收缩现象，但是可以忽略。引力波强度是按照它们到波源的距离的函数进行衰减的。对引力波的研究可能会对宇宙知识的研究产生莫大的帮助，还可能会有许多实际应用。例如它们穿过物质不会使物质发生改变的能力可能会使一个信号在巨大距离内传播成为现实。

　　下面介绍的是引力波的检测。

　　世界上好几个国家都在建造引力波探测器，这是一种高灵敏性的仪器，主要是用于检测引力波以及确定引力波的源头。这项计划开始时，就希望这些探测器将可以通力合作。在美国，探测器计划称为LIGO（激光乾涉引力波观测计划）。LIGO研究院们希望能够确定引力波的存在，并且对其传播速度是否是光速以及它们穿过物质时是否真的不会改变物质进行证实，还有其他一些预期的成果，包括黑洞存在性的证实及可以对其做更进一步研究的能力以及其他一些宇宙现象。LIGO系统由可以在水平上自由移动的带有镜片表面的砝码组成。如果引力波穿过，砝码之间的距离（通过激光束在镜片之间来回移动然后再光电探测器上进行调配来测量的）将会改变。

　　来自加利福尼亚理工学院和麻省理工学院的研究员已经开发出了一个足够灵敏的LIGO原型，在砝码测试距离为40米时，它可以探测出微小运动（许多情况下都是比一根头发丝的直径还要小的范围内的运动）。世界上其他引力波探测计划包括法国与意大利合作的VIRGO、德国和大不列颠合作的GEO 600、日本的TAMA 300、澳大利亚的ACIGA以及国家航空和宇宙航行局的LISA计划。2005年初期LIGO计划宣布一个计划，即利用数百万的个人电脑对引力波的源头进行搜索。PC用户可以从LIGO下载软件，LIGO发起的这项计划称为Einstein@home。

iv

倾听永不消失的引力波

　　为了捕捉到引力波，数十年来，人们一直孜孜以求地尝试着各种探测器制造技术和理论。只有打造好了一只灵敏的“耳朵”，我们才能听到最隐秘的声音。在全世界，致力于引力波探测的科学家们正在为我们创造越来越先进的倾听引力波的“第三只耳朵”，有了它，宇宙太空中的星系生活将不再只是望远镜中的哑剧。

　　引力波的传播与其它的波都不相同，当它穿过物体时，首先是将物体左右拉长，再挤压回到原来状态；然后是上下拉长，再挤压回到原来状态。如果引力波作用在一个圆形截面的物体上，我们将可以看到圆面上下左右地拉长，从而使物体形状在圆形和椭圆形之间来回震荡。这就是所谓的四极震动波。科学家们根据这个原理，设计了四个大小几乎一模一样、表面极端光滑的悬挂小球组成的探测仪器。当引力波穿过它们时，人们就会看见四个小球相对着先左右远离，靠拢；再上下远离，靠拢。当然，这个移 动的距离会很微弱，甚至不超过氢原子大小，而且变动速度与光速一样迅速，但今天的技术足以能够观察到这隐秘的波动了。今年4月初由美国航天局发射的“引力探测器B型”卫星，就是依据这个原理制造的。科学家可以根据这个距离地球635公里高处的卫星中，四个乒乓球大小的石英小球的定向变化，判断宇宙的时空结构是否发生了波动。

　　除了直接利用物质的波动运动来探测引力波外，运用得更多的是根据引力波对光的乾涉原理，制造成的各种激光乾涉仪引力波探测器。目前世界上在建和已经开始运行的地面引力波探测器包括美国的LIGO，意大利的VIRGO，德国的GEO和日本的TAMA。它们的结构大体类似，都是由两个成90度交叉的长长的真空管臂组成，只是真空管道双臂长度不同，其中LIGO的长达4公里，VIRGO的长达3公里， GEO的600米，TAMA的300米。以规模最大的LIGO为例，它从一个地方发出两束激光，经远处平面镜反射后又回到起点汇合。如果这两束激光的波长在这个传播路途中没有改变，他们返回后形成的光斑亮度还和原来一样。但是，如果有较强的引力波乾扰了它们，使他们各自传播的空间发生了距离改变，再返回来时就不会和先前一样汇合了：要么波迭加使光亮变强，要么波峰和波谷相互抵消使光变暗甚至消失。预计两个臂发生长度改变只有一个氢原子大小的1亿分之一。LIGO设在美国的一个平原上，专门用来接收来自银河系的中子星或者黑洞运动引起的高频率引力波。

　　可是地面上建造的“耳朵”，再大也不能听到超大质量黑洞发出的更低沉的呼噜声，因此欧洲航天局和美国航天局合作，正在着手进行名为 LISA的太空引力波探测器研制。它由三颗卫星组成，将在2008年发射升空，排列成一个边长为500万千米的等边三角形，并静静地呆在绕太阳公转的轨道上。由于LISA有一个500万千米的超长“手臂”，比起LIGO等其它探测器来不知要灵敏多少倍，它可以很容易地听到来自宇宙更深处声音喑哑的低频引力波甚至宇宙早期发出已经成为背景的低音。

　　引力波，你可以做什么？

　　我们已经能够利用各种频率的光波观看物体的形状，已经能够利用各种波段的声波倾听物体的声音，我们似乎已经不需要什么别的手段来更好地了解物体了。但是人们还看不见黑洞、看不见星体的内部、也看不见被尘埃遮蔽的星云中央和宇宙大爆炸时的宏伟场面，这个宇宙人类无法看清的东西太多了。我们能不能像看一个玻璃球一样看黑洞、我们的地球和月亮，能不能听到137亿年前那最震撼的宇宙大爆炸声响？

　　人类为了寻找地外智慧生命，曾经用各种各样的电磁波和声波向太空发送我们地球人的各种信息，其实这样的信息载体究竟能够穿越时空多远，是很值得怀疑的，在日常生活中，我们的电磁波和声波太容易被物体阻挡了。而在浩瀚的宇宙中，我们的电磁波望远镜要穿透一颗星体几乎不可能，所以迄今所获得的关于宇宙天体的信息，都很难直接显示出天体内部的真实情况。

　　引力波的横空出世，将让人们观察物体的角度发生革命性的改变。如果利用引力波观测，这个世界将变得更加绚丽和热闹，所有的问题也更加透明而明晰。引力波能够让人类的感觉触及宇宙事件的每一个角落和细节：耀眼的超新星爆炸不再是哑剧，它从引力波中传来爆米花一样的声音；中子星的碰撞、黑洞的创生像一场高昂的大合唱；你甚至能听见宇宙炸开、但光子都还没有跑出来之前那阵空前绝后的轰响。光波让我们的视觉贯穿时空，而引力波则让我们听见过去和现在，那是又一种多么奇妙的时空穿越呀。

　　比起电磁波来，引力波更能畅通无阻，通过无处不在的时空网络，任何物体的运动都在向外传递它最丰富的信息。如果用引力波来发射电视信号，高高的电视塔和通讯卫星都会成为过去。也许宇宙中的地外智慧生命早已通过引力波来通讯了，但是我们人类没有一个相应的“信箱”可以接收到它们特殊的信件。在宇宙中，引力波更能够直接告诉我们超新星爆发时内部所发生的很多情节；我们一直看不透的黑洞，在引力波望远镜面前也许就透明得如同一只美丽的玻璃花瓶，要了解那神秘的奇点也许不再完全依靠想象了。

　　但是更奇特而实用的，应该是人类可以凭借引力波的波动做“冲浪运动”了。引力波震荡时，可以将空间拉伸和挤压，使时空距离变长或者缩短。你坐在中国上海家中的餐桌旁，依赖定向发射的一阵引力波，你忽然就落在了美国繁忙的纽约公司里。这个速度比眨眼还快，因为引力波以光速传递时空的形变。

　　也许你不知道，“制造”这个宇宙的真正力量还是引力波。宇宙大爆炸后，能量与物质完全均匀分布，没有一种力量打破这种均衡，就不会启动能量凝聚成大块原子、尘埃、恒星和星系。是与爆炸同时产生的时空涟漪扰动了宇宙，使物质碰撞、堆积，反过来更大质量的星际物质加剧了时空网络的扭曲，物质的演化开始循环加速了。

　　从光速不变原理的萌芽，到逐渐完成一个弯曲空间的宇宙构想，最终又认识到波动时空这一宇宙的本真，爱因斯坦的这一段光辉历程不但为人类构建了一套前所未有的伟大相对论，也为人类发掘出了一座引力波的伟大宝藏。我们不能完全想象得到引力波的神奇用途，但是它带给我们的每一种想象与期待，都是从未有过的迷人和壮丽。利用引力波，将是人类最伟大的创造，而为人类展现引力波神话的先驱爱因斯坦，将成为最伟大的为人类盗取真理火种的现实中的普罗米修斯。

　　是的，我们对于宇宙的理解直到今天仍然不能超越爱因斯坦；是的，我们的宇宙就是爱因斯坦的宇宙。

v

大多数物理学家相信爱因斯坦的理论将继续延续其生命，并且会被新的数据加强其地位。但现在，在他的“不可思议之年”过去一个世纪后，全球各地的物理学家策划了一个野心勃勃、花费数十亿美元的计划来挑战爱因斯坦的广义相对论。

　　狭义和广义相对论做了很多预言，其中有一些已经得到了很好的验证，比如它预言光线在引力作用下将产生弯折，这在1919年就由当时任英国皇家天文学会会长的爱丁顿等人在一场日食发生时得到了验证；预言运动的物体质量变大，这在解释水星进动的过程中就得到了验证；预言在高速运行的物体上时间将变慢，这也借助于测量高速运行的放射性元素的半衰期而得到了验证。但还有一些预言，比如引力有质量、存在引力波、黑洞的存在，等等，还没有得到很好的验证。

　　由多艘太空船组成的舰队在接下来的20年中将直接检验相对论中一些最具戏剧性的推论：时空结构的波状起伏(引力波)是否真的存在；空间中是否真的有黑洞存在在那里引力如此强大，光都无法逃脱；它们还要寻找宇宙大爆炸和新近发现的“暗能量”在遥远的早期宇宙里留下的烙印。

　　寻找引力波

　　NASA的“超越爱因斯坦”计划将两个现存的项目“激光乾涉计安特娜空间计划”(LISA)和“星群-X计划”(Constellation-X)绑在了一起。它预想了一系列设计，用来对爱因斯坦所提出的一些最基本问题进行新的探索，研究黑洞并回顾宇宙大爆炸。

　　2003年2月，该计划闪亮登场后，赢得了美国议会的支持以及NASA为2004年要求的预算中的5900万美元。对于一个在最初五年预估成本为7亿6500万美元的计划而言，这是一个幸运的开始。

　　LISA由三艘太空船组成，它们将编队飞行——分别处在大约500万公里宽的三角形顶点上，由激光束连接共同行动的指令。当引力波经过时，时空将被伸展或压扁到足够的程度，并改变这三个人造卫星的相对位置，这个改变是以毫米为分数来计算的。LISA将能够看到在地球天文台上看不到的引力波，部分是因为人造卫星之间广阔的距离使它更加灵敏。

　　“如果能看到一个实质上的信号，成功的机会就比较大。”位于科罗拉多的联合天体物理学实验研究所的引力物理学家Peter Bender说，LISA应该能够搜集到从各种各样的“能量事件”(星系中心的大型黑洞合并、超新星爆发等)中发出的引力波。

　　观察黑洞和暗能量

　　检测到从这些事件中发出的波将不仅仅证实爱因斯坦预言的引力波是真实存在的，而且也将告诉天体物理学家黑洞的性质和星系的形成过程。天文学家认为，小的星系合并成大的星系，在小星系结合过程中，其中心的黑洞也结合。因此通过聆听黑洞碰撞时引发的波，科学家也能够直接验证星系如何诞生的观点。黑洞是无法直接观察的，Constellation-X将通过观察高能粒子来观察黑洞。接近黑洞的物质非常热，放射出X光射线；当一大块物质掉入，黑洞巨大的引力场将把那些X光射线的波长扯长。“你可以看到(一个黑洞的X光发射)随着时间而改变。”哈佛-史密斯索尼恩天体物理学中心的天体物理学家Michael Garcia说，“你能观察到它从光谱的蓝端移动到红端。”借助于观察这些变化，探测器能帮助物理学家在黑洞的边缘绘制时空。

　　“超越爱因斯坦”计划还包括三个探测器来作为那两个大型天文台的补充。

　　“暴涨探测器”将通过测量充满了宇宙的微波背景辐射，来探测在宇宙大爆炸那一刻释放出来的引力波。“黑洞发现者探测器”将搜索更大部分的天空，来寻找黑洞的线索，这将帮助科学家为Constellation-X挑选目标。“暗能量探测器”，将通过观察超新星，使天体物理学家靠导向目标追踪暗能量的属性，这种神秘的能量是一种引起宇宙加速膨胀的反引力力量。

　　抱歉，爱因斯坦！

　　但负责“超越爱因斯坦”计划的这个舰队什么时候将被发射现在成了一个问题。2004年初，NASA在这个项目上突然刹车。当布什总统2004年1月宣布，NASA将集中精力在机器人和对月球、火星的探索上之后，“超越爱因斯坦”计划因为和这一目标不吻合，开始变得步履蹒跚。布什政府削减了这一计划的部分预算，这个计划的很多部分坐了冷板凳。

　　“我真诚地希望‘超越爱因斯坦’计划能够存活下来。”Garcia说，“我想它已经遭受了打击。”很不幸，爱因斯坦的麻烦也许是：他已不再是NASA宇宙研究的重要部分了。

　　2004年8月，NASA和欧航局(ESA)一致同意一起来完成组成LISA的两个独立任务，各方总投入多达10亿美元。但是这些技术无与伦比的复杂性已经造成了成本超额，使计划耽搁。两个最困难的工程挑战将是：LISA人造卫星的内脏必须保持在大约以毫微米(10亿分之1米)计算的正确的轨道上；必须保证像太阳光和宇宙飞船本身的电子系统这样的乾扰不会影响到测量。

　　不过天文学家仍然有信心，认为“超越爱因斯坦”计划将最终得胜。“明智者将看到这些项目提供了一扇崭新的宇宙之窗。”他们说，“‘超越爱因斯坦’不会消失。这个计划有足够的科学威望，必须被执行，尽管它也许会比预期的要缓慢些。”