雷森解释说 , 按照爱因斯坦广义相对论 , 引力波是由质量运动引起的时空结构的涟漪 , 比如说一对互相绕转的中子星(neutron star)就能产生引力波 。 雷森说 , 这就像抖动一个电子 , 会让电子周围的电场和磁场以光及其他形式的辐射向周围传播一样 , “当你抖动某个有质量的物体 , 你就制造出了引力波” 。
不过令人沮丧的是 , 就算一系列非常强的引力波扫过地球 , 也只会让地球直径收缩或扩张不到10纳米 , 因此诸如美国激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational wave Observatory , LIGO)这类建在地面上的引力波探测设备 , 永远无法摆脱背景噪声的干扰 , 路过的卡车、雷暴甚至千里之外的海滩上起伏的海浪 , 都会淹没引力波信号 。
因此 , 雷森和他的狂热追随者决定独辟蹊径 , 采取一种成本更低方式来探测引力波:观测脉冲星 。 脉冲星是密度极大的天体 , 有些脉冲星每秒能自转数千次 , 每次转动都向外辐射出一道脉冲闪光——天文学家对脉冲发出时间的测量能精确到100纳秒之内 。 由于甚低频(very-low-frequency)引力波会扰动脉冲星和地球之间的时空 , 导致脉冲时间发生偏移 , 因此雷森小组打算 , 监测分布在全天的20个脉冲星 , 看能否探测到这种时间偏移 。 他们希望 , 通过这种方式 , 能探测到宇宙深处大质量黑洞数年一周的转动、星系相互碰撞等最强引力波源所产生的引力波 。
这项研究是由国际脉冲星记时阵列协会(International Pulsar Timing Array consortium)组织的 , 除了雷森外 , 还有10多位科学家参与 。 好消息是 , 他们无须购买任何新设备 , 波多黎各的阿雷西博射电望远镜(Arecibo radio telescope)就可担此任 。 但坏消息是 , 大概要持续观测十年 , 才能捕捉到由转动黑洞发出的引力波 , 目前他们只对6颗脉冲星进行了连续5年的准确计时测量 。
不过 , 雷森仍旧充满信心:“我们成功的机会与日俱增 , 只要耐心等待 , 引力波终将会出现 。 ”
5.重塑千克标准
1千克 , 这本应是一个不变的常数 。 但实际上它会变化 , 这是因为旧有质量标准规定 , 1千克等于巴黎郊外的一间库房中 , 那个有120年高龄的铂铱合金圆柱的质量 。 谁也不知道这位“千克原器”(Le Grand K)究竟是由于原子落在表面变重了 , 还是由于原子从表面脱落变轻了 , 唯一能肯定的是 , 它的质量肯定在变化——证据是 , 它的那些重量曾完全一致的复制品 , 现在已经有了可测量的质量差别 。
“我们需要弄清楚这件事 , ”美国标准与技术中心(NIST)的工程师、致力于重新定义质量标准的计量学家琼·普拉特(Jon Pratt)说 。 他介绍说 , 千克是唯一一个目前还用实物来定义的基本单位 。
重新定义千克的基本思想是 , 将千克与某个精确测量的基本物理常数联系起来 , 就如同今天用真空中的光速来定义米一样:1米是光在真空中1/299792458秒内通过的距离 。 这意味着 , 要定义千克 , 就必须确定普朗克常数h , 因为后者是量子力学中能量量子(energy quanta)的大小 , 它乘上光的频率ν就得到能量 , 即著名的光电效应方程E=hν;接着 , 再用更著名的质能方程E=mc2 , 就可以得出千克质量的定义了 。
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