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引力波真的可以像《三体》所描写的一样实现星际通信吗?

在刘慈欣的科幻小说《三体》里,描写了领悟黑暗森林法则的建立了黑暗森林威慑,并迫使三体人利用他们的先进技术为地球人建造了一堆可用于向遥远宇宙发送坐标信号的引力波天线,其中包括安装在飞船上的小型引力波天线。在现实中,这种设想可行吗?在回答这个问题之前,我们先来了解一下引力波

引力波真的可以像《三体》所描写的一样实现星际通信吗?

广义相对论的八大预言

1915年,爱因斯坦正式发表他最伟大的理论——广义相对论,通过统一时空中弯曲的时空几何重新描述了牛顿所发现的万有引力。早期科学家根据对广义相对论的深入研究,得到了广义相对论的八大预言,分别是:

1、水星近日点进动(水星椭圆轨道的近日点位置发生偏移)

2、光线弯曲——引力透镜效应(时空弯曲导致星光位置偏移)

3、引力时间膨胀(引力导致时间弯曲产生的时间变慢效应)

4、引力红移(恒星光谱因引力时间膨胀发生频移)

5、宇宙膨胀或收缩(被恒态宇宙论的爱因斯坦强行添加宇宙项注销了这个预言……)

6、黑洞(时空闭合的区域)

7、引力波(时空曲率的波动)

8、奇点(无限弯曲的时空点)

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其中引力红移与引力时间膨胀等价,引力透镜与空间弯曲等价,因此其实也可以认为是7大预言。这8大预言里的前5项,都在上世纪得到了实验和观测证明,黑洞则在本世纪初对银河系中心恒星运动的观测得到了直接证明,(上世纪就根据X辐射信号得到过间接证明),两位天文学家因这项观测共同获得了去年的诺贝尔物理学奖。更直接地,在2019年拍摄到了黑洞吸积盘的首个真实影像。

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而被称为相对论最后一块拼图的引力波则于2015年LIGO(激光干涉引力波天文台)的观测中得到了直接证明(同样上世纪也根据脉冲双星周期变化得到过间接证明),而毫无疑问地,三位LIGO的科学家因这一观测项目共同获得了2017年度的诺贝尔物理学奖。

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当时铺天盖地的报道里都说这是广义相对论的最后一个预言,但是当你看到这里其实已经知道了,还有一个预言没证实呢——奇点。不过实际上这个预言可能永远得不到证实,因为我们永远不可能观测到奇点,即使是间接观测都不可能……

时空的涟漪——引力波

言归正传,作为公认的广义相对论最后一块拼图究竟是啥玩意呢?一句话解释是:

引力波——时空弯曲的变化以行进波的形式光速向外传播。

如果这句话不好理解,那就用一个形象的比喻:它是时空中荡起的一阵涟漪

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引力波探测为什么那么难?

作为自然界四种相互作用力中最弱的一种——引力,很多人认为它的波动难以探测是理所当然的,但其实我们都忘记了一点,引力作为一种长程力,可以通过质量堆积达到很大的强度,比如作为引力波源的黑洞和中子星!

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那么为什么它在现实中引力波如此难以探测?答案是它距离我们太远了……由于引力距离平方反比律,引力会随距离增加而迅速变弱,所以不是黑洞的引力太弱,而是它们距离我们实在太远了……假如这些双黑洞就在太阳系附近,那么无需通过LIGO的激光干涉仪,我们用天文望远镜就能直接看到背景恒星的抖动。假如双黑洞就在太阳系内,那我们甚至肉眼就能看到它们所产生的时空涟漪!当然你得能分辨出光速掠过的时空形变,对于持续1秒左右的引力波,这是可以的。你会看到面前的一切剧烈地扭曲抖动,前提是你没有被巨大的引力波潮汐力震碎……

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为何要用引力波通信?

引力波通信有一个最天然的优势,就是超强的穿透力和几乎无损耗。理论上引力波可以穿透一切物质而不会损失任何能量,这样我们可以通过它实现星际通信。但其实有两种天体能终结它的传播,一个是黑洞,一个是中子星。你可能奇怪,引力波不就是黑洞跟中子星发出的吗?为什么又会被它们终结?

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引力波终结者——黑洞和中子星

黑洞和中子星有一个共同的特点,它们都拥有一个称为光子球的光速圆轨道。也就是一切光速“物体”都会在这个轨道内绕黑洞或中子星公转而不会逃离。而当在这轨道里向内移动一点点,就会以螺旋轨道落向黑洞或中子星。

当一阵时空的涟漪掠过黑洞的光子球边缘,外沿的涟漪会在被偏转后继续传播,但进入光子球内的时空涟漪则会被偏转落向黑洞视界,其进入视界后,就会最终落向奇点并湮没于奇点无限的时空曲率中……

引力波真的可以像《三体》所描写的一样实现星际通信吗?

掠过中子星光子球的时空涟漪的命运则好一点,由于中子星并没有像黑洞视界这样的时空闭合面,因此落入光子球的时空涟漪并不会被真正终结,而是落向中子星表面后穿透到中子星的另一面出来,由于引力波以光速传播,超过了中子星的逃逸速度,因此时空涟漪会最终脱离中子星引力束缚,重新穿越光子球而去。但此时重新传播出来的时空涟漪已经失去了它原有的信息了,包括传播方向,频率信息在内的所有原始信息都失去了。

引力波真的可以像《三体》所描写的一样实现星际通信吗?

不过一个好消息是,黑洞和中子星的影响范围相当有限,它们只能吞没光子球附近的引力波。

引力波通信是否可行?

看了前面所说你可能会变得乐观起来,既然近距离肉眼可见,那远距离实现通信就不是梦了吧?你误会了,前面肉眼可见是因为它们是黑洞,每个都拥有几倍太阳质量,别说我们找不到怎么大质量的物体,就算找到了我们也没有能力操控它们实现信息编码。三体中那种能安装在飞船上的引力波发射天线纯粹是剧情需要,根本不可能实现……

我个人悲观地认为,在可预见的未来都不可能实现恒星际的引力波通信。

怀揣梦想,未来,一切皆有可能

虽然我个人对引力波通信持悲观态度,但科学的进步科技的发展从来不是我们所能想象的,几百年前谁又能想到我们能从天上飞到地球的另一边呢?

人类文明的缔造者们就是通过一次次的实现“不可能”推动着人类科技与文明的进步。当一百多年前迈克尔逊用它发明的干涉仪测量不同方向的光速时,他不会想到在一百多年后,人们用他发明的干涉仪完成了一个爱因斯坦认为永远不可能完成的任务——探测引力波!也许有一天,引力波通信真的成为了现实,但那一天到来之前,科学家为此所作的一切努力和尝试都将推动着人类科技的发展和文明的进步!

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