我们能造出反重力仪器吗

时间:2023-12-02 03:19:02

引力波天文学方兴未艾。到2021年,LIGO的探测率将比2016年提高1000倍。最终的目标是,探测到10-19米——质子尺寸的万分之一——尺度上的距离变化。

引力波猎手们希望能够跨越宇宙捕捉黑洞,但是在这条路上还有重重阻挠需要克服,其中就包含了一些物理学的基本法则。LIGO的一对探测器都长得像英文字母L,每一边的管道都有4千米长。为了探测经过的引力波所造成的时空的微小拉伸与挤压,物理学家们在探测器的两个方向上都投射出一束激光,并由终点处的镜子反射回来。当两束激光返回探测器时,它们又合二为一,这时就可以检验两者的相位是否同步,换句话说就是走过的距离是否相同。如果不是,那么就说明探测到了引力波。

为保险起见,所有其他影响都得考虑进去,包括任何能移动镜子的事物:海浪拍打岸堤、汽车隆隆驶过,甚至是激光本身都不例外。要做到这一点,一个方法就是设法让镜子远离地面:实验团队把镜子吊在一个独立的架子上。他们还用地震仪测量地面的震动,并实时轻触镜子来抵消地面震动的影响。

然而,地震仪并不能将地震晃动镜子的效应(地震仪可以探测到远至澳大利亚的地震)与其他移动镜子的效应加以区分。一阵大风就足以使包含地震仪的建筑晃动,给镜子带来预料之外的运动。所以这个团队还努力将地震仪用玻璃细丝悬挂起来,使它们与非地震的触动隔绝。

我们能造出反重力仪器吗

在这股波中会不会包含引力粒子?

大概150年以前,苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦推导出了一组方程,这组方程最终预言了以光速运行的电磁波的存在。这就是当代的物理学家所说的经典场论。这个理论可以很好地解释波长较长的辐射,如无线电波等。只有当考虑到短波长,或者说高频率的辐射时——如可见光、紫外光和X射线等——才需要引入出现于20世纪早期的量子理论,在这个理论中,光是由微小的、被称为光子的粒子组成的。

爱因斯坦用来预言引力波的广义相对论,就像麦克斯韦的理论一样,也属于经典场论。正如我们可以用波来描述无线电一样——这个过程中不需要担心组成它们的光子——我们探测到的引力波同样有着足够长的波长,因此可以把它们看成光滑的波。

我们希望在未来可以探测到更短波长的引力波,届时波动描述就会开始失效了。这个时候我们就得把引力波视作由名为引力子的粒子组成。果真如此的话,这些构成引力波的粒子必须是无质量的,或者质量接近于零。在广义相对论中,引力波以光速传播,这一点只有无质量的粒子才能实现。

在未来,量子化的引力理论可能会包含具有极小质量的引力子。这种情况下,引力波的速度会比光速稍微慢一些。目前的观测结果已经可以给引力子的质量设定一个上限了,这是因为,如果引力子的质量很大,那么它会影响到广义相对论所预言的双黑洞并合引发的引力波的波形。

我们能造出反重力仪器吗?

尽管还没有人能做到这一点,建造重力屏障的想法却由来已久。也许最有名的尝试就是科学家伊夫盖尼·波德克莱特诺夫(Evgeny Podkletnov)的工作了。1992年,波德克莱特诺夫发表了一篇论文,声称他在对一个由陶瓷超导体构成的旋转圆盘进行测量时发现了2%的质量减轻。

马丁·泰玛(Martin Tajmar)是一位奥地利研究中心的科研人员,在2003年他发表了一个相似的声明,并借由ESA的资助继续他的研究。3年以后,泰玛和ESA一起宣布他们测量到了旋转超导体的一种特殊效应,假以时日的话这种效应可以用在操控引力上。其他人无法重现他的结果,但是广义相对论本身并不能排除这种可能性:经由引力拉拽而弯曲的时空被某种手段“抚平”。

借助质量和能量的合理组合,理论上来说你可以减弱或增强引力的效果,如可以利用一种称为引磁力的效应。根据广义相对论,旋转的物体会像一个旋涡一样拉着周围的时空。可惜的是,现实生活中这个效应的表现微乎其微,而且现在人们还不清楚旋转的超导体是否存在任何的引磁力效应。然而,说不定在未来的某一天,会有人利用发现的排斥性引力效应来实现引力推进或者引力屏蔽。