从零开始发现引力波(引力波)

在我们完美的地心说模型之下,太阳、月亮、恒星都围绕着地球转动,只是运转的速度各不相同。如果在太阳系内只有太阳、月亮、地球,地心说是个足够简单有效的模型,既能解释现象,又能预测现象,它的寿命大概会比我们所知的长,而正是有一些奇怪的星星存在,让我们的认识可以更快地前进。

当人类祖先们的一部分人开始不为衣食窘迫,有好奇心的人开始观察星空的规律,甚至坚持做着记录,寒来暑往,几个春秋过去,他们会有一些发现,如果我们也做同样的观察和记录,也会有同样的发现:在每年的同一日期的同一时间,对着天空的同样方向,看到的都是同样的星星,就像是在遥远的天空上有一块幕布,上面固定的位置上镶嵌着固定的星星。

然而,就是有那么几颗星,它们并没有固定在幕布上,而是像是在幕布上行走,速度时快时慢,有时候甚至会逆行,行星的“行”字,就是由此而来。在中国古代,把火星叫做荧惑,所谓“荧荧火光,离离乱惑”,惑字就是指其运行行踪不定。在日语中,把行星叫做惑星,也正是因为它们的运行规律给人带来迷惑之意。

这些行星是绕着地球转的吗?如果是,它们为什么会变速,会逆行?在最初的地心说模型中,有人提出了本轮-均轮模型。

如图所示,行星(本图例中为火星)本身在转圈运动(本轮),而这个圈的中心点在绕着地球转动(均轮)。如果这样说还是有点难以理解,我想到一个类似的比喻,很多人可能在夏天的时候有过被飞虫缠上的经历,不管走到哪,飞虫都会在身边转来转去,假设有一个圆形的跑道,某人在绕着跑道跑圈,而与此同时,有一只飞虫在这个人的头周围转来转去——这个人跑的路线就是均轮,飞虫绕着他的头转就是本轮。[1]

这样的本轮均轮模型,就完美地解释了行星的变速、逆行,也能与观测相吻合。

在没有望远镜的年代,凭肉眼可以看到的行星有水、金、火、木、土,在地心说的本轮均轮模型中,每个行星有各自的本轮和均轮。

有一种叫万花尺的玩具,用笔尖穿过小圆里面的孔洞,带动小圆通过咬合的齿轮在大圆里转动,从而绘制出各种图案,不知道这样解释是否能让人理解万花尺的玩法,如果没能说清楚,淘宝有售,上手便知。

万花尺的大圆的圆心是固定位置的,它就像是本轮均轮模型中的地球,小圆的圆心是绕着地球转的,便是均轮,小圆上其他的孔洞,是绕着小圆的圆心转的,便是本轮。万花尺画出来的图案,就是在本轮均轮模型下,行星绕地球运动的轨迹。

本轮均轮模型随着行星的增加,会越来越复杂。行星多起来之后,运动轨迹就变成了这个样子。勉勉强强可以算是好看,但难免让人产生疑问:为什么看起来这么复杂?是什么力量让这些行星以这样的方式运行呢?

科学在于可以解释现象,可以预测现象,也在于它的简洁。在科学的意义下,复杂的东西,不一定是错,但简洁一定有它的优势。

怀着这样的疑问和信念,随着日积月累的观测数据[2],有人发现,这些行星的本轮中心点应该就是太阳,于是就有了这样的模型:

月亮、太阳都绕着地球转动,其他的行星绕着太阳转动。这个说法比原始的本轮均轮模型简单多了,与观测数据符合,也能很好地预测天体的运动。[3]

然而,人们不免要问:地球有什么特殊,凭什么别的行星都绕着太阳转,而太阳却要绕着地球转?一旦这个问题被提出来,日心说也就离诞生不远了。可以说,随着天文观察的规律总结和思考,日心说是一个难以避免的假说,人们会发现,这样的假说简洁、符合观察、可以预测,于是,它是有效的,在某种意义上,是正确的。至于是什么力量造成了这样的运动,就是另一个学科分支要研究的问题了。

然而,时光流转,朝代更迭,文明发展,给文明以岁月之后,人类有了文字,可以保存记录,发明了新的材料,可以更精确地观察星星的位置,随着一代又一代人对天空的观察,人们发现,恒星不恒,它们之间的位置是会发生变化的。

我并不确定以下这些变化在历史上哪个先被发现,哪个后被发现,但随着科技进步,这些现象迟早会被好奇的人们观察到:

人们会发现,恒星的位置也会发生变化,在夏天和冬天,恒星之间的位置关系会发生微小变化。如果上面的示意图看不明白,身边有一个例子:人的左眼和右眼就像是地球在冬天和夏天的位置,把左手食指和右手食指举在眼前不同的距离,只用左眼看和只用右眼看的时候,两根手指的相对位置关系会发生变化,冬天和夏天观察恒星时,也会发现这样微小的变化。于是人们可以知道,恒星离我们的距离各不相同。[4]

人们还会发现,恒星的亮度会发生变化,而这种变化,又有很多种原因。

一种是双星:两个距离很近的恒星,近到用肉眼看像是一颗星,但其实,一个在绕着另一个转,当一个被另一个挡住的时候,亮度就会降低,利用望远镜,人们可以发现很多这样的双星、三星、甚至N星系统。

另一种是超新星:会有一颗恒星,亮度突然增加,持续数月,之后亮度又降低,甚至消失。《后汉书》记载:中平二年十月癸亥,客星出南门中,大如半筵,五色喜怒稍小,至后年六月消。有超新星的现象,人们便会想着寻求解释,其中的可能之一便是:恒星也是有生命周期的,会产生、发展、消亡。

随着望远镜技术的发展,人们开始发现恒星的颜色、亮度各不相同,而亮度是会随着距离变化的,由于前面已经测量出来了恒星的距离,就可以估算出恒星自身真实的亮度。当我们把许多恒星的亮度、颜色(颜色不同意味着温度不同)统计在一起,就会发现规律。

上图中每一个点代表一颗恒星,横坐标代表颜色(表面温度),纵坐标代表亮度。这种亮度-温度对应的图,叫做赫罗图。可以发现,恒星的亮度、颜色(表面温度)不是任意组合的,而是主要分布在一条带状区域之内。这条带状区域便叫做主序。

由于万有引力定律的发现,以及通过对双星系统的观测,人们便可以估算出双星系统中恒星的质量,当把质量放在赫罗图中,会发现,一定质量的恒星只能位于主序中的特定位置。

我们观察到了这么多的规律,就会去想是什么样的原因造成了这样的规律。

人的一生只有几十年,朝代有几百年,人类文明只有几千年,无法在上亿年的时间尺度上观测恒星的出生和灭亡,但我们可以观察到不同恒星的样子,从中找出规律,做出推测。

就像只有一年寿命的果蝇,在果蝇的一生中,无法观察到一个人是如何出生、成长、死去的,但它如果有智慧,便可以在它一年的生命中,观察到人类有大有小,皮肤的光滑程度、说话的声音、头发的颜色,从中总结规律,并推测人的一生是怎样变化的。

我们就是通过赫罗图来推测恒星的生命周期,并且根据多年精确的观测记录,来验证这一推测。随着望远镜的技术进一步发展,可以观察远方的星系,知道别的星系中的恒星组成的赫罗图是什么样子,再来估算这些星系的年龄。

观察的手段也不仅限于肉眼可见的光,有红外线、紫外线、微波,随着技术的进步,我们有各种手段来观测恒星。

于是我们知道,恒星是通过核聚变反应,不断释放能量,当核聚变反应无法进行时,恒星的生命周期也到了终点。不同质量的恒星有不同的结局,而质量够大的那一类,就变成了黑洞,黑洞的引力是如此之强,光子都无法逃出,我们也就没有办法通过可见光、红外线、微波等手段来直接观测到黑洞。

当两个黑洞彼此旋转着靠近对方,引力产生的空间扭曲,也震荡着传播到了整个宇宙,传到地球时,已经非常微弱,但就是通过对这种微弱的空间扭曲的侦测,我们可以得知在远方的宇宙曾发生过黑洞的合并,这,就是引力波。

关于如何从赫罗图发现恒星的生命周期的规律,在《千亿个太阳》一书中,有更加详细而又简单易懂的阐述。


[1]. 又或者,在日心说的观点中,从太阳的角度看月亮,就是符合本轮-均轮模型的:地球的轨道是均轮,月亮绕着地球转的圈圈是本轮。

[2]. 水星和金星可能是最容易被发现是绕着太阳运动的:它们总是远离太阳又靠近太阳,再远离再靠近,依次往复。

[3]. 人类的历法,就是以天体运动规律为基础的。在历史上,正是因为这个改版的本轮均轮模型的出现,让日历系统更加精准了。1582年3月1日,为清除旧的历法积累下来的误差,教皇格里高利颁发命令:1582年10月4日后的一天是10月15日,而不是10月5日。同时,依据新的天文模型,设置新的纪年规则(如何设置闰年等),这种新的日历系统便是格里高利历,沿用至今,也就是我们通常说的公历、西历。圣诞是西方节日,公历也是西方历法,甚至现在使用的农历,也是受西方天文学模型影响修正过。

[4]. 测量恒星距离还有很多其他方法。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注