哈佛大學 宣布找到重力波的證據

作者: ijsfkira (ijsfkira) 看板: Gossiping
標題: Re: [問卦] 等等哈佛大學 要現場直播 宣布找到重力波的證據
時間: Tue Mar 18 08:59:48 2014

→ grasser:ijsfkira大~可以簡單解釋這次實驗嗎                       03/18 00:49
→ ijsfkira:不可以XD 畢竟我不是做這行 很多細節我來說會說不好       03/18 00:53
推 Kikoro:大概的說明一下就好:P                                     03/18 00:53


既然有人要我寫...我就獻個醜吧
今天看了一個下午的相關新聞
和許多部落格討論(國外有很多專業的物理學家部落格...這點台灣就很不如了)
有了一些很粗淺的理解
不過我不搞這個 以前到現在也沒碰過太多宇宙學...
我比各位好一點的地方 大概只有一點廣相的知識 還有一點最基本的爆脹理論
所以有甚麼錯誤或說不好的地方 首先請鄉民們別鞭得太用力
再來就是希望有真的搞宇宙學的先進指點與糾正


愛因斯坦在距今將近一百年前提出了廣義相對論
廣義相對論有它很深刻物理上的motivation 讓我在這裡稍微簡單解釋一下
首先 狹義相對論告訴了你 不同"慣性座標"的觀測者
會對事件發生的時間 位置 動量 能量 等各種動力學物理量有不同的判斷
但是 當你在重力場的時候 一切會變得有點微妙
例如說 在重力場上不同高度的人"可能"會對於時間的快慢有不同的認知

雖然本來就沒人要求狹義相對論在重力場下也要對 但愛因斯坦就是這種偏執狂
於是 愛因斯坦花了好幾年的時間 終於想到了一個聽起來很智障但其實很深刻的原理
我舉一個例子來描述

假設你人在一個封閉的電梯裡 你當然可以體會到重力的作用
例如你把東西放開 它就會自動落下
但假如現在這個電梯往下加速一個重力加速度(意思就是...這個電梯的繩子斷了...)
那在電梯的局域觀測者 是不是就區分不了重力造成的任何影響了?
因為你會發現你把東西放開後 你看到的物體是不動的

這就是所謂的等效原理
於是 你可以想像 雖然重力場是不均勻的
但是"局域"來說 你可以用一個自由落體的加速度座標來消除局域的重力場
而在這個局域座標 你就好像是在慣性座標中一樣 你可以用狹義相對論來解釋附近的現象

但是由於每個不同的位置上 需要用不同的加速度座標
因此 從數學上來看 這就好像一整個時空是"彎曲"的
(如果懂一點微分幾何的人大概就更能體會這段話的意思
因為所謂的"彎曲" 指的就是怎麼指定在不同點量長度的方法)

愛因斯坦就是從這個motivation出發 "猜出"引力場的方程式到底是甚麼
整個圖像 就是所謂的:
物質影響了時空的彎曲 而時空的彎曲 決定了物體的移動
(如果你前面看不懂 至少看懂這句話也就夠了)


在廣義相對論的數學圖像裡 首先你就可以自然想到
既然物質會影響時空彎曲 是不是有可能物質的移動會像漣漪一樣
對時空造成像波一樣的結構呢?
這就是所謂的重力波 然而由於效應實在太小了
據我所知 至今為止然仍沒有最"直接"觀測到的證據

同時 從愛因斯坦的方程式
我們會發現很多有趣的 以前沒想過的物理
像是黑洞 蟲洞等等時空結構
或者 宇宙"可能"是有起源的 以及 宇宙到底是還是膨脹或收縮的
但是 到底實際情況是怎樣 需要各種實驗來決定

像是哈伯發現了宇宙似乎正在膨脹
(而後來的物理學家 更發現在"加速"膨脹)
宇宙背景輻射(CMB)則發現了整個宇宙有一個很均勻的輻射分布
這都在暗示著 似乎宇宙是有起源的

CMB這種均勻分布 是相當奇怪的事
因為宇宙這麼大 隨便一個脹落應該就會有很大的影響
我們還發現到一件事 就是宇宙除了少部分的星體周圍以外 其實結構相當的平坦
A.Guth和A.Linde等人 提出了所謂的inflation theory 解釋了這些現象
(當然爆脹理論還嘗試解釋很多東西 像是為什麼觀測不到磁單極 等等)

爆脹理論是說 一開始的宇宙 有一種很特別的物質
這個物質具有一個很特別的位能形式
由於這個特別的物質和特別的位能 因而造成宇宙以指數的形式隨時間快速膨脹
因此 由於宇宙一開始的膨脹實在太快了
一開始宇宙爆脹之前的漲落就在這段時間被抹平了

但是 這個模型實在太陽春了 只是個現象學式的模型
因此 至今為止 無論是那個所謂的"不知名物質"是甚麼
或者是爆脹的各種不同的詳細機制 都早已有(並將會持續有)很多的研究了

值得注意的是 這個爆脹理論雖然告訴你CMB會是很均勻的
但是我們知道 量子力學告訴我們 無論怎樣都會有擾動
何況我們當然知道也觀測到CMB不可能百分之百均勻
那麼 從爆漲理論的角度來看 既然一開始的能量不均勻早就被爆脹所抹平了
剩下的所看到的不均勻不就是來自於量子效應嗎?
並且 由於爆脹將空間拉大 這些微小的擾動反而才能被宏觀的看到
CMB看到的輻射分布 就是來自於這些早期的量子漲落效應

因此 CMB的能量分布的微小擾動
反而能告訴我們很多早期宇宙極高能量下的量子效應資訊
這也是為什麼 要建更多更高解析度的儀器研究CMB的原因
去年的Planck 就是這樣的一個儀器


那麼 關於今天的實驗:

1.首先 它到底測量到甚麼呢?

答案是
同樣的 在一般的爆脹理論 重力場在那樣的高能下 也會產生量子漲落 造成重力波
(當然他也會產生像CMB一樣的背景 但我們無法直接觀測到這個背景分布
如果能夠觀測到 對於宇宙學一定會產生很多實際影響)

並且 CMB的輻射 在通過這些重力波的時候會被影響到
然而 必須注意的是 一般物質也會影響到CMB
粗略地來說 CMB可以分成兩種類型的極化分量 B跟E mode
重力波只會造成B mode的極化 但很多原因都有可能造成這B跟E
因此你必須排除各種可能性 才能確定是否有統計上的證據
確定到底你觀察到的B mode到底是來自於甚麼原因

而今天這個實驗 就是排除了很多的原因
宣布了他們觀測到了CMB的B mode

所以簡單的說 這個實驗並不是直接用某個儀器來觀測重力波的影響
(有實驗是在作這個的 叫做LIGO)
而是觀測到CMB的某個會由重力波產生的極化分量
並說他們已經排出了其他原因 這是就是來自於早期宇宙造成的重力波的影響

2. 它到底重要在哪?

這點就真的要請專家來解釋
因為inflation的模型真的太多了 早期宇宙也有很多物理我不了解

至少就我的理解
首先 由於大爆脹的尺度很高
在這種尺度下 重力的量子效應可能會展現
(就例如像上面說的 爆脹理論下 這個重力波就是由量子效應產生的)
因此 藉由觀測到這種現象 將會是一個很好研究量子重力論的窗口
特別是今天的這個實驗 也確定爆脹發生的尺度可能是普朗克尺度的1/100而已

更重要的是 今天的結果有點大的超乎大家的預期
以至於相當多的模型都可能會要被修正或拋棄
對於理論的影響 還要一段時間才會見分曉

3. 它到底可不可信?

這就是現在不少人所在懷疑的
雖然統計上的確有這麼強的重力波
然而 這種實驗太精細了 有很多出錯的可能性
並且 既然這麼強 為什麼去年Planck的CMB結果竟然沒有?
(雖然這次的結果還在Planck的誤差範圍 但是可以說幾乎是在邊緣)

類似的實驗組還有很多
因此如果這是真的 那麼相信過不了多久
一定有別的實驗組會有同樣的結果

況且 宇宙學的模型很多種 並且 各種可能性都有
相信這種B mode的由來是其他非主流理論的可能性
也不能夠百分之百被排除吧
到底這會對物理學有甚麼具體影響 就要等一段時間才能見分曉吧



真的要說 從LHC到現在 以及去年的Planck
雖然外人不知道...但其實很多的實驗結果都是粒子或宇宙學標準模型的勝利
這次的這個結果 實在是少數一個可以說是new physics的結果(如果是對的)
因此從網路上 很明顯可以看出不少物理人的少見的欣喜和激動


宇宙學經過了很長久的時間才慢慢發展成可以好好討論 量化 預測 並與現像比對的領域
現在已經是相當主流的研究領域了
除了CMB以外 暗物質和暗能量也是相當熱絡的研究主題
只是...至於之後到底會有甚麼影響與發展
就有待於各位鄉民們未來的努力和關注了
這是一個很讓人興奮的領域 但在下真的不是作這方面的XD


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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 128.42.92.171
→ tyrande:我以前看小牛頓就想過這個問題 現在才提出來 會不會太晚    03/18 09:00
推 acebruce:我早就知道了 只是懶的寫出來 讓給哈哈哈哈佛他們去玩了   03/18 09:00
推 Kreen:好吧，難得有人在這垃圾回收版認真，給個推～                03/18 09:04

別這樣 板風的改進可以從你我開始做起...
只是大家上網上太多了就會很容易說話變酸...

推 tyrande:補推                                                    03/18 09:05
推 IwantCrispy:這版難得的好文                                      03/18 09:06
推 johnruby:push                                                   03/18 09:07
推 jpg31415926:認真文推  發現越來越多鍵盤愛因斯坦                  03/18 09:08
推 crescentbell:樓下把這篇翻成白話文好嗎？                         03/18 09:08
推 ams9:這明明是中文呀 怎麼都..                                    03/18 09:09
※ 編輯: ijsfkira        來自: 128.42.92.171        (03/18 09:10)
※ 編輯: ijsfkira        來自: 128.42.92.171        (03/18 09:11)
推 abc2090614:推, 看得懂但平時沒在關注...多謝來龍去脈              03/18 09:12
推 howdonc:噗 好認真的八卦                                         03/18 09:13
推 Entropy1988:推                                                  03/18 09:13
※ 編輯: ijsfkira        來自: 128.42.92.171        (03/18 09:14)
推 Yoonasky:很認真地看了還是看不懂                                 03/18 09:16
※ 編輯: ijsfkira        來自: 128.42.92.171        (03/18 09:17)
推 donation12:認真，太認真了，不推不行，請多發這種科普文           03/18 09:17
推 kitakore:我剛到底看了什麼文字                                   03/18 09:17
推 syk1104:小時候看到烏龜逆流向下滾.就悟出重力波只是還小不會寫字   03/18 09:21
推 asazen:專業                                                     03/18 09:21
推 rhox:講中文好嗎？                                               03/18 09:23
推 wgst88w:要用愛因斯坦的思維方式去想像它；但可惜的是 我沒有...    03/18 09:25
推 jbdada:認真看了但還是不太懂，專有領域果然不是容易就能懂得       03/18 09:25
推 yangtsur:你的文章我能理解,但這些名詞我都不懂, 哈                03/18 09:25
推 cosco:從電梯那段就看不懂了 XD 可以請問"局域"是什麼意思嗎？      03/18 09:25
其實看不懂還不會影響全文 我只是私心想加個解釋

局域指的是 你可以想像 重力場是不均勻的
因此你找不到一個加速度座標消除所有的重力場
但是一個很小的範圍內 重力場是均勻的 因此至少這個範圍內可以做得到
※ 編輯: ijsfkira        來自: 128.42.92.171        (03/18 09:28)
推 chigo520:看了老半天還是不懂                                     03/18 09:26
推 piliwu:我終於發現看不懂英文的物理學文不是我英文不好…           03/18 09:28

我覺得首先大家不必強求看懂 畢竟我也沒有絕對懂
重要的是 有一個價值判斷的圖像 能夠大概知道這個物理是有多重要 多確實 多深遠
因為有時候 有些物理新聞的重要性或可信度其實是騙人的
但多數人還是會被聽起來很玄很酷炫的東西吸引
但這些東西可能在物理上卻根本不promising

※ 編輯: ijsfkira        來自: 128.42.92.171        (03/18 09:30)
推 allure1:看不懂+1，太專業                                        03/18 09:29
※ 編輯: ijsfkira        來自: 128.42.92.171        (03/18 09:31)
推 jwd:太專業了，今天沒有白活了                                    03/18 09:33
推 pkmu8426:媽的 感謝大大無私分享                                  03/18 09:34
推 ilovecim:我看得懂一半耶                                         03/18 09:34
噓 TW185930:到底在講什麼,看完妳的文,更加迷惑==                     03/18 09:37
推 cyberridder:有心推                                              03/18 09:38
推 krajicek:推，雖然我只有一知半解，但還是肯定科學家們的努力貢獻   03/18 09:40
推 luckyBF:難得看到白話文看不懂的...XD                             03/18 09:43
推 sunshinecan:科普推~                                             03/18 09:44
推 higoodboyman:所以高中的假定座標是這個概念的簡化版嗎             03/18 09:48
推 m81620:快推， 免得被發現看不懂                                  03/18 09:48
推 piggy731cgh:我七竅通了六竅，不過還是感謝大大分享                03/18 09:52
推 philip80223:專業推                                              03/18 09:54
推 cloudin:看完還是一知半解，對這方面的知識太缺乏了!感謝分享       03/18 09:58
推 knml:理組有看常看科普書或節目的可以大概了解意思,現在的物理儀器  03/18 10:00
推 lldavuull:看不懂 先給個推                                       03/18 10:00
→ knml:發展速度跟不太上新觀念,都是要測很微小的量 冏               03/18 10:00
推 miky:推                                                         03/18 10:05
推 RedmanYO:沒end還是看不懂XD                                      03/18 10:07
推 isshoni38:專業推                                                03/18 10:09
推 superkevin3:跪了                                                03/18 10:09
推 IkariD:推啦                                                     03/18 10:12
推 asiaking5566:感謝原PO                                           03/18 10:17
→ ken3616001:你講了，我還是不懂…                                 03/18 10:17
推 sizumaru:感謝原PO                                               03/18 10:22
推 holybless:                                                      03/18 10:22
推 xslayer:好難                                                    03/18 10:24
推 brownway:看八卦長知識                                           03/18 10:25
推 assassinzero:都快冒煙了                                         03/18 10:30
推 pas796210:你贏惹                                                03/18 10:31
推 lucifer19:好難  看不大懂  不過感謝原PO專業推                    03/18 10:33
推 ccuparadise:嗯 好的 ………                                      03/18 10:35
推 SeaForest:雖不明但覺厲                                          03/18 10:37
推 calcium:推~                                                     03/18 10:46
推 refuseQQ:不懂推                                                 03/18 10:51
推 dodo0924:宅蛙選板主了啦                                         03/18 10:54
→ Hollowcorpse:電梯那個像是在高空的機艙內模擬無重力的應用嗎?      03/18 10:55
推 eric0921:專業啊！                                               03/18 11:03
推 airjake:有心大推！                                              03/18 11:04
推 hiphopper18:每個字我都看得懂  放在一起就....                    03/18 11:05
推 kaitouGamer:同樓上                                              03/18 11:17
→ jackace:我看資料是只有重力波能造成b-mode 但重力波也有e-mode     03/18 11:20
→ jackace:所以找到b-mode才如此重要 只有重力波能造成他             03/18 11:21
推 swoopsky:推                                                     03/18 11:24
推 Parazicecum:物理真的深奧有趣                                    03/18 11:25
推 winston17:電梯裡是不是要真空狀態下才能像你說的那樣呀？          03/18 11:26
推 n810516:                                                        03/18 11:27
推 JonaGoGo:電梯那個應該是要不能有空氣阻力，單純就是重力的影響     03/18 11:28
推 babufong:你很認真寫　我很認真看　但是看不懂XD                   03/18 11:29
推 celebleaf:雖然不是很懂，不過還是感謝原po                        03/18 11:33
推 Xobile:                                                         03/18 11:39
推 kiliman:看到一半 我就跟不上了, 可是還是要大推 因為讓我長知識了  03/18 11:46
推 wuj:推                                                          03/18 11:46
推 ckpioneer:推一個                                                03/18 11:52
推 jbmm:推~ 雖然只有每個字分開看的懂                               03/18 11:53
推 cmo2266:看不懂的很詳細的內容，推                                03/18 11:54
※ NoPTT:轉錄至看板 Physics                                        03/18 11:54
→ galilei503:嗯嗯嗯 跟我想的一樣                                  03/18 12:01
推 g3u04jp6:不推人家還以為我看不懂>"<                              03/18 12:03
推 qazsugf:我看了好久，我覺得愛因斯坦真他媽的是個天才 淚推         03/18 12:11
推 strike5566:推  感謝作者的付出                                   03/18 12:15
推 AncientLich:推                                                  03/18 12:21
推 WrongHole:                                                      03/18 12:23
推 Lemmings:推 雖然大部份聽不太懂  但很佩服作者的專業知識          03/18 12:24
推 cat5672:上一期牛頓雜誌有提到 重力波實際應用能用來觀測看不到     03/18 12:24
→ cat5672:的東西 就我的理解 有點像用地震波研究地球內部的感覺      03/18 12:24
推 mantonung:這不是中午一起吃飯的強者嗎                            03/18 12:25
→ cat5672:沒想到這個月就宣布這種事 真的是很驚喜 雖然還是看不太懂  03/18 12:26
推 nhsmallcat:看八卦長知識                                         03/18 12:41
推 MoonMan0319:看不太懂但是認真就要推                              03/18 12:41
推 rabinson:看不懂@@                                               03/18 12:46
推 apologize104:先推                                               03/18 12:58
推 jimihsu:推                                                      03/18 13:12
推 sariel0322:推                                                   03/18 13:19
推 kaworu0612:優文 宇宙真的很深奧 用物理學解釋的科學家真有耐性     03/18 13:28
推 p86506:                                                         03/18 13:29
推 k51686tw:不懂~~~當作長知識吧                                    03/18 13:30
推 Vac:                                                            03/18 13:34
推 showdoggy:大推 經解釋後 有更懂一點了                            03/18 13:36
推 Lamuneforty:                                                    03/18 13:40
推 wtj1003:推                                                      03/18 13:53
推 tyr5101:推                                                      03/18 14:16
推 jerry79829:看不懂推，一定是我中文太差（誤）                     03/18 15:04
推 Qimagine:https://www.youtube.com/watch?v=dOVp8FypiTo (17:45)    03/18 15:31
→ Qimagine:看這影片會不會比較好懂黃字那段話?                      03/18 15:32
推 zin:^^                                                          03/18 16:33
推 ktootk:專業給推                                                 03/18 16:48
※ 編輯: ijsfkira        來自: 128.42.92.0          (03/18 17:15)
推 Mrlsps:看不懂 但認真只能給推                                    03/18 17:16
推 weidersin:恩恩  跟我想的差不多                                  03/18 17:18
推 nanako81240:看不懂還是推                                        03/18 17:40
推 vanjoey:                                                        03/18 17:54
推 zz7856132:原來如此                                              03/18 18:04
推 tsming:認知世界崩潰了XD                                         03/18 18:31
推 aramaram:恩恩                                                   03/18 19:05
→ gh34163:宅蛙學長好帥><                                          03/18 19:38
推 bbo6uis122:推                                                   03/18 20:01
推 e25213:                                                         03/18 20:02
推 Henrique:看不懂還是推                                           03/18 20:26
→ thuki:快推 免得別人知道我聽不懂                                 03/18 21:02
推 ex951753:good                                                   03/18 21:33
推 bj45566:認真文推（雖然還是看不是很懂～）                        03/18 21:35
推 glad850:原來是這樣，我還是看不懂！                              03/18 21:48
推 luckysnow:很認真看,還是不懂QQ。專業文推!                        03/18 21:51
→ a1b2c3d4e5x:...有詳解還是看不懂...                              03/18 21:51
推 orphenya:認真文推!                                              03/18 21:52
推 wildsw:請受我一拜!!0rz 我想請問 物質影響空間 那空間當底是什麼?  03/18 23:11
→ wildsw:                                              到         03/18 23:13
→ wildsw:在這個發現之後 可以解釋時空是什麼了嗎?我大概是這意思     03/18 23:14