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今天刷屏的引力波到底有多重要?

2016-02-12  能率的图...

物理学划时代成就!


北京时间2015年9月14日17:50:45分


激光干涉引力波观测平台的两个探测器同时观测到一个引力波瞬时事件,与爱因斯坦广义相对论预言的一对互相旋转的黑洞并合成一个黑洞的计算相符合。




“爱因斯坦发表广义相对论百年后,科学们证实他的预言,以引力波的形式,我们首次聆听到了宇宙的琴弦,真正兴奋的是接下来会发生什么。”

——LIGO项目执行主管David Reitz




文:钱童心 


物理学见证了历史性的一刻。


北京时间2月11日23点30分,物理学家宣布人类首次直接探测到引力波。


所谓引力波,是100年前爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,就好像石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。爱因斯坦曾预言,引力波无法被探测到,因为即使是天体碰撞形成的最为强大的引力波,传到地球时也将变得非常微弱。同为黑洞专家的物理学大师霍金在接受BBC采访时表示,这是科学史上的重要一刻。



双黑洞系统想象图。  图片来自LIGO网站


霍金说:“引力波提供了看待宇宙新的方式,发现它们的能力或许能使天文学发生革命性的变化。这项发现是首度发现黑洞的二元系统,是首度观察到黑洞的融合。”他还表示,“除了检验爱因斯坦的广义相对论,我们可以期待透过宇宙史看到黑洞,甚至可以看到宇宙大爆炸时期初期宇宙的遗迹、看到其中一些最大的能量。”


这项新的发现所探测到的引力波,是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。这两颗黑洞的初始质量分别相当于29颗太阳和36颗太阳的质量。合并后合成为一颗质量相当于62个太阳的高速旋转的黑洞。其亏损的质量以强大的引力波的形式释放到宇宙空间。




去年9月,美国科研人员利用“激光干涉引力波天文台”(Ligo)两台孪生的引力波探测器探测到了引力波,随后花了数月时间来验证数据并通过审查程序,直到美东时间2月11日上午10:30宣布了这一重大科学发现。这标志着全球各地研究团队数十年的努力达到了最高潮。


外媒援引资助这项研究的美国国家科学基金会(NSF)负责人France Cordova称:“如同伽利略首度把天文望远镜指向星空,这项新发现,就会加深人类对宇宙的理解,引发超乎意料的发现。”引力波以光速传播,由引力波产生的时空扭曲非常微小,Cordova表示,人类将迎来天体物理学全新领域的诞生。


过去几十年,人类都从未停止过对引力波的追寻。早在1974年,物理学家约瑟夫-泰勒和拉塞尔-赫尔斯发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星,他们发现该脉冲星处于双星系统中,其伴星也是一颗中子星。根据广义相对论,该双星系统会以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减少3.5米,预计大约经过3亿年后发生合并。


泰勒和赫尔斯的发现间接证明了引力波的存在,也因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

如果再追溯到上世纪60年代,马里兰大学的物理学家韦伯,发明了一种共振型的引力波探测器。该探测器有多层铝筒构成,直径1米,长2米,质量约1000千克,用细丝悬挂。当引力波经过圆柱时,圆柱会发生共振,进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾在相距1000公里的两个地方同时放置了相同的探测器,只有两个探测器同时检测到的信号才被记录下来。1968年,韦伯宣称他探测到了引力波,引起科学界的轰动,但是后来重复实现都失败了。



韦伯和他设计的共振棒探测器


直到1991年,麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会(NSF)的资助下,开始联合建设“激光干涉引力天文台”(Ligo)。Ligo的主要部分是两个互相垂直的干涉臂,臂长均为4000米,两臂交汇处,从激光光源发出的光束被一分为二,分别进入互相垂直并保持真空状态的两个空心圆柱体内,然后被终端的镜面反射回原处,并在那里发生干涉。若有引力波通过,便会引起时空变形,一臂的长度会略微变长,而另一臂则略微缩短,这样就会造成光程差发生变化,激光干涉条纹就会发生相应变化。


Ligo与1999年初步建成,2002年开始运行。此次发现引力波的两台孪生引力波探测器分别位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3000公里。只有当两个探测器同时检测到的相同信号,才有可能是引力波。


电磁波只能让人类看到大爆炸38万年之后的景象,而引力波则能让人类回到宇宙大爆炸的最初瞬间。因此引力波一直被认为是人类认识宇宙的新窗口,引力波的发现也必将引发一场天文学的革命。除了检验广义相对论之外,引力波还有助于证明其它版本的引力理论是否正确,比如牛顿提出的“万有引力”。还将推动引力量子化的研究,并最终把引力融入其它三种基本相互作用,完成爱因斯坦的伟大梦想。


(建议在wifi环境下观看)


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