2025年1月14日,美国的引力波探测器收到一个信号,编号GW250114。
两个黑洞在宇宙深处撞在一起,产生的时空涟漪传到地球。
这是有史以来最清晰的引力波信号,清晰到物理学家能从中读出很多细节。
然后他们拿这些细节去测试爱因斯坦的广义相对论。
结果:爱因斯坦又赢了。
引力波是什么
时空会被质量扭曲。
两个黑洞碰撞,就像往水里扔两块大石头,会在时空中掀起涟漪向外传播。
但这个涟漪太微弱了。即使是两个巨大黑洞的碰撞,传到地球时对时空的扭曲也比原子核还小得多。
探测它需要极其变态的精密仪器。
LIGO就是这样的仪器,两条4公里长的激光臂,能探测到比质子直径还小一万倍的时空变化。相当于测量地球到太阳的距离变化了一个原子的宽度。
2015年9月14日,LIGO第一次探测到引力波。那个信号编号GW150914,证实了爱因斯坦一百年前的预言。
现在10年过去了,探测器升级了,灵敏度大幅提高。GW250114比当年那个信号清晰太多,虽然两次事件本身几乎一模一样。
用网络用语说,这是"1080P重制版"。
黑洞的BGM
两个黑洞合并时会"响"。
就像敲钟,会发出特定的音调。这些音调由两个参数决定:振荡频率和阻尼时间。
如果你在数据里测到一个音调,可以算出合并后黑洞的质量和自旋。
但如果你测到两个或更多音调,每个音调都会给你一个质量和自旋的测量值。
根据广义相对论,这些测量值应该一致。
如果一致,说明爱因斯坦是对的。
如果不一致,说明广义相对论有问题,物理学要地震了。
GW250114足够清晰,物理学家测出了两个音调,还约束了第三个。
三个音调算出来的质量和自旋,完全一致。
爱因斯坦再次通过考试,满分。
物理学家其实希望爱因斯坦错
这听起来有点反直觉。
爱因斯坦的理论这么成功,物理学家应该很高兴才对啊。
但实际上,很多物理学家更希望找到广义相对论的漏洞。
为什么?
因为广义相对论肯定不是最终答案。
第一,它解释不了暗物质和暗能量。宇宙中95%的东西我们看不见,广义相对论对此一脸懵逼。
第二,它跟量子力学打架。量子力学管微观世界,广义相对论管宏观引力,但两者的数学框架就是合不到一起,一合就爆炸。
第三,它在奇点处崩溃。黑洞中心、大爆炸起点,广义相对论算出来的物理量是无穷大,这在物理上毫无意义。
所以物理学家知道,一定存在一个更深层的理论,广义相对论只是它的低能近似。
但这个理论是什么?
不知道。
想知道,就得找到广义相对论失效的地方。
就像当年牛顿力学在高速下失效,才催生了狭义相对论。
现在物理学家在等广义相对论翻车。
等了一百年了。
量子引力在哪
最有可能翻车的地方是极端条件。
黑洞碰撞、中子星合并、宇宙早期的量子涨落,这些地方时空扭曲最剧烈,引力最强。
如果广义相对论有bug,应该在这些地方出现。
而且物理学家有个猜想:量子效应可能会在引力波信号里留下痕迹。
就像指纹一样,如果仔细看,也许能在引力波数据里看到量子引力的蛛丝马迹。
但到现在,每次测量,爱因斯坦都是对的。
GW250114又一次证明:在黑洞碰撞这种极端条件下,广义相对论依然精确。
这让物理学家既高兴又失望。
高兴是因为理论经受住了考验,失望是因为没找到新物理的线索。
用网络梗说,这是"爱因斯坦永不为奴,除非包吃包住"。广义相对论太稳了,想让它翻车太难了。
LIGO还在监听
LIGO从1990年代开始建,2015年第一次探测到引力波,2017年拿了诺贝尔奖。
从那以后探测器不断升级,现在每年能探测到几十个引力波事件。
每一个都在测试广义相对论,每一个都在找偏差。
到目前为止,广义相对论的战绩:全胜。
但物理学家不会放弃。
因为宇宙中每时每刻都有黑洞在碰撞,引力波在传播。探测器越来越灵敏,信号越来越清晰。
总有一天,会有一个信号的音调对不上。
那一天,物理学将迎来新的革命。
就像一百多年前,迈克尔逊-莫雷实验发现光速不变,推翻了以太理论,催生了相对论。
现在物理学家在等待下一个"迈克尔逊-莫雷时刻"。
等到那一天,教科书要重写,诺贝尔奖要发,爱因斯坦的画像要从神坛上请下来(虽然他肯定还会留在物理学殿堂里,毕竟牛顿也没被扔掉)。
但现在,2025年,GW250114告诉我们:还没到那一天。
爱因斯坦依然是神。
广义相对论依然坚如磐石。
物理学家继续等待。
用网络梗说,这是"爷青回"还是"爷青结"?
目前看,是"爷青回"。
一百年前的理论,2025年还在赢。
爱因斯坦yyds。
参考资料:Physical Review Letters, 2025 LIGO科学合作组织 Virgo合作组织 KAGRA合作组织 康奈尔大学天体物理中心
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