聆听时空的涟漪,电吉他演奏中的

通过观察高速摄像机记录下的职业套绳者和套索机器人(本质上来说是一组电动的可旋转的关节,用来模拟人手臂和手腕的运动)玩平环的动作,研究者从中分离出了控制套索运动的特殊力,并用方程对这一过程进行了精确的描述。

比时空本身更安静

但量子力学说,事情不会这么简单。爱因斯坦从来都不喜欢量子理论。尽管在索尔维会议的照片中,他看似是量子力学的坚定支持者,其实他是在反对量子力学用概率来描述现实的观点。随后的时间里,这种情绪只增不减。爱因斯坦曾说:“上帝不掷骰子。”

在这个问题上,爱因斯坦似乎错了。量子世界满是掷骰子众神。我们与其之间联系的核心,是一个爱因斯坦与玻尔争论了数十年的原理:量子不确定性。

根据不确定性原理,我们永远也不可能同时精确地测定量子世界中成对出现的两个属性。位置和动量就构成了这样一对属性:我们对一个量子粒子的位置知道得越精确,我们对它速度的了解就越模糊。能量和时间则是另一对这样的属性。这对于LIGO来说,听起来很可怕,因为精确知道光子打到反射镜上的时间和能量是探测引力波的关键。

更奇怪的是,不确定性噪声不仅仅会扰乱光子,还会影响真空。真正用来检测引力波的,是LIGO的两束激光重新汇合并干涉之后形成的明暗条纹。没有引力波入射的时候,暗纹应该完全是黑暗的。但量子不确定性认为,即使在黑暗中也会有光。在空无一物的真空中,时空的量子涨落会产生光子,这会对光信号产生微妙的影响,干扰引力波的探测信号。

因此,即便经典世界中的每一个噪声源都已被识别和解释了,但搜寻爱因斯坦广义相对论缺失一环的努力也许会最终会受限于他本人不乐意接受的量子理论。“我觉得这多少有一点命运扭转的感觉,”美国麻省理工学院的物理学家纳吉斯·马瓦尔瓦拉 (Nergis Mavalvala)说,“这也算是有点戏剧性了,如果你愿意这么说的话。”

上世纪80年代初,物理学家卡尔顿·凯夫斯(Carlton Caves)最早意识到了这种古怪量子噪声的存在,并想出了消除它的办法。不确定性不会限制我们对某个量的测量,但会制约对一对观测量的了解,因此它也有一定的弹性。例如,要测量一个光子的到达时间,你可以尽可能少地了解它的能量,进而来限制对时间测量的不确定性。

这是完全可行的:“压缩”一个光子,使不确定性集中到它成对特性中的某一个上面,由此便可以几乎不受噪声干扰地测量另一个特性。更奇怪的是,至少在理论上,你可以把对光子的这一操作运用到真空上。逐渐减少进入“压缩器”的光的流量直至完全消失,压缩态光场就会在另一端出现。“这是一件非常了不起的事……”澳大利亚国立大学的戴维·麦克莱兰(David McClelland)说,“这几乎就像魔术;它是真空,但又全非如此。”几年前,他的团队制造了一个光压缩器。通过将压缩过的真空注入光子探测器,他们把探测器的固有噪声降低到了其自然水平以下。

“这都神了,不是吗?”马瓦尔瓦拉说。她和麻省理工学院的同事希拉·德怀尔 (Sheila Dwyer)一起,把压缩真空应用到了LIGO干涉仪上,也观测到了量子噪声的下降。LIGO探测器变得比真空还要寂静。

最快到2017年,压缩光场会全面应用于LIGO。之后,当周围环境比寂静还要安静之时,我们的耳朵可能最终会聆听到时空的引力私语。对于由此可以获得什么,桑德伯格略加思索后表示:“我们将能看到发生在黑洞事件视界上的事情,也将能看到中子星爆炸的内部细节。”

他停顿了一下,似乎无法想到更有意思的东​​西。“对于通过LIGO我们到底能看到些什么,能用它来干些什么,我是个缺乏想象力的人。在这一点上其他人也是一样,”他说,“但这真的令人兴奋。它代表了100年来我们对物质、能量以及距离和空间基本概念间最深层关系的最艰苦卓绝的探究。我想不出有比这更深入和更深刻的东西了。”

美国原住民所知的洪水可能永远不会再重返汉福德平原。但也许要不了多久,我们就会探测到另一种不同的波路经此地。麦克莱兰说,首次探测到引力波将会是一个具有划时代意义的事件,“就像第一次能听见周遭的宇宙一样。”(编辑:Steed)

 

编译自:《新科学家》,Einstein's silence: Listening for space-time ripples

准备就绪后,他将不同尺寸的琴弦分别换到吉他上,调到它们的标准音高后,分别记录下空弦、在12品位压弦、以及将琴弦压在左右两个钉子位置上这四种情况下的音高。并将吉他弦剪成30厘米的小段测量其线性密度。最终,实验测得的数据带入公式计算出的杨氏模量与理论估计值相符,验证了格兰姆斯博士推导的公式的准确性。同时数据显示,音高随推弦角度的变化不是线性的。这说明小角度的推弦可以产生特殊的音质,然而一旦超过一定角度,就有可能对演奏的音高造成影响。

图片 1平环就是这么玩的。图片来源:physicsworld.com

1942年12月,从响尾蛇山上方飞过的美军,将这一地区视为完美的“隔离荒地”,可以在这里生产制造原子弹所必需的钚。投放到长崎的原子弹“胖子”,其核心就由这里的汉福德核设施制造。在冷战的巅峰期,这里有9座核反应堆和5个核燃料加工厂。

文章题图:shutterstock友情提供

(球藻怪/译)终于,物理学家把他们的目光投向了牛仔——手中的套索。在迪士尼乐园的牛仔,套索机器人以及努力学习了几个小时掷套索技巧的研究者的帮助下,物理学家终于终于从数学的角度掌握了平环(flat loop)的技巧。所谓平环,就是让套索在套绳者的大腿附近,水平旋转的技巧。

今天再飞过响尾蛇山,你会看到两根极为不同且神秘的混凝土管。它们长数千米,直径几米,在荒凉的平原上以直角的形状排布。

吉他是非常流行的乐器之一,不过与钢琴等乐器不同,吉他的演奏可以产生连续的音调,而不是分散的音阶。从物理学的角度来说,关于弦乐器,例如小提琴的音响学已经有了很详细的研究,而这些结果也同样适用于木吉他(acoustic guitar)。相比之下,对于电吉他(electric guitar)音响学的研究较少,并且都集中在电吉他拾音器的机电特性上,而关于其特殊音质和演奏技巧背后的物理学原理的研究并不多。

想玩平环玩得像真正的牛仔一样?那就要保证环的大小适当。根据研究,要想玩得好,一条绳子的75%要用来成环。而只要少于75%,整个套索就无法转起来,圆环会塌成一堆,这也是初学者经常犯的问题。研究者表示,同样的原理也适用于工业纺纱,不过目前他们计划将今后的研究重点放在用数学方法描述更为复杂的牛仔套索技巧上。该研究的论文于9月24日发表在《皇家学会学报A》(Proceedings of the Royal Society A)上。

LIGO探测器

对于还没有直接探测到引力波,桑德伯格给出了一个解释。他说:“时空真的真的很坚硬。”比钻石还要硬上十万亿亿倍,所以即使是极为剧烈的宇宙事件,也只能在其中产生弱得可怜的引力波。由两颗质量分别为1.4倍太阳质量的中子星,在它们的死亡探戈中所发出的引力波——被引力波天文学家用作标杆——会拉伸或挤压我们到比邻星之间4.3光年的距离,但其幅度还不到人头发丝粗细的一半。

如果能建造一台从地球延伸到比邻星的仪器,那么这一效应是可以被明晰测量的。但残酷的现实是,LIGO很可能是我们目前最好的探测工具了。

德国、意大利和日本也建造了几架类似的激光干涉仪来探测引力波,但LIGO是它们中最大的。它有着两条几乎完全一样的激光干涉臂,每条都长4千米。它的一条激光臂从主楼向响尾蛇山伸出,另一条则与其成直角,指向汉福德核设施的退役反应堆。

图片 2汉福德LIGO的两条探测臂,在荒原上呈直角排布。图片来源:LIGO

每一条臂都包含一根钢制外壳的真空管,从一束激光中被分出的一半激光被置于远端的镜子来回反射。返回主楼之后,这半束的激光会与在另一条臂中传播的另外半束激光重新汇合。

路经此地的引力波所造成的时空扰动所引起的任何臂长变化,都会改变两个半束激光汇合后所产生的明暗相间的干涉条纹。引力波会在一个方向上挤压空间,同时又在另一个方向上拉伸空间,这使得以直角张开两条探测臂的LIGO探测器灵敏度得以翻倍:当引力波穿过它时,一条干涉臂会先变长再变短,而另一条臂则相反,会先变短再变长。

但是,别忘了这一效应微乎其微的影响。标准的引力波预计只会使LIGO的臂长拉伸或者收缩10-19米,仅相当于质子直径的万分之一。

如果你只在一个地方看到了这么微小的运动,那你永远不也能确定它是引力波信号还是背景噪声,所以就像韦伯的共振棒探测器一样,汉福德的激光干涉仪只是LIGO的两个成员之一。另一架完全相同的干涉仪位于3000千米之外美国路易斯安那州利文斯顿的河口。如果这两个探测器以10个毫秒为间隔(这是引力波在两者间传播所需的时间)先后看到了同样的信号,那你才能说下一步如何如何。

或者,即便如此也还是不行:为了要测量出最微小的变化,任何可能的干扰,哪怕最微小的噪声,都必须被抑制。唯有绝对的寂静才行。

格兰姆斯博士告诉我们,他玩音乐已经有好多年了。从15岁开始他就和别人组建乐队。作为一个专业的物理学家,他总喜欢把现实中的事物转化成物理学的公式来进行分析。对于自己在演奏电吉他时的物理过程他感到十分好奇,于是就进行了这项研究。

文章题图:mostfunnyimages.com

(文/ Anil Ananthaswamy)黄昏已降临在美国华盛顿州的响尾蛇山。一弯新月悬挂在山脊之上,透过缕缕的薄卷云,金星闪耀出明亮的光芒。当地亚基马县的人们称这座山是“水上的土地”,这是因为下方的平原曾有洪水肆虐,而响尾蛇山却在洪水中屹立不倒。

格兰姆斯博士示范推弦(上)和颤音(下)。视频来源:研究论文

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