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引力波被发现 物理学世纪悬案谜底揭开

2016-02-13  辷盀


◇新闻117记者 周白石

2月11日,美国科学家宣布,2015年9月他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到引力波,7毫秒后,另一处美国天文台的探测器也探测到引力波,证实此次探测绝非“误报”。这一发现,不仅印证了爱因斯坦100年前预言的准确性,为人类观测宇宙提供了新的方法,还为能够揭开宇宙起源之谜。

现代物理学认为,引力波是一种与电磁波不同的辐射,无法通过电磁辐射直接观测。引力波与宇宙中物质的相互作用是非常微弱的,所以可以传播至很远的宇宙空间。换句话说,此次美国科学家发现的引力波,是很远的地方形成的。

为发现如此“弱”的引力波,美国国家自然科学基金会于上世纪90年代在路易斯安娜州利文斯顿和华盛顿州汉福德各建造了一个激光干涉引力波天文台(LIGO)。两个引力波探测器呈现L形排列,L形测量臂长达4公里,两个测量器垂直排列,两端各有反射镜面。

美国科学家称,美国东部时间2015年9月14日5时51分,位于利文斯顿的探测器首先传出“撞击声”,7毫秒后,汉福德的探测器也传出“撞击声”。由于两个天文台使用完全相同的设备,且间隔数千公里,所以此次两处天文台几乎在同一时间探测到引力波,可以排除偶然因素导致的误判。

引力波被发现 物理学世纪悬案谜底揭开

(位于美国路易斯安那州利文斯顿附近,臂长4千米的激光干涉仪引力波探测器)

原国家天文台是副研究员、现意大利罗马天文台博士后尔欣中介绍,这一实验相当于在一个4公里长的尺度上,测量一个10的负18次方米的变化。用“微乎其微”这一词来形容试验的精度,似乎显得“不够”。“LIGO在未来的几年里应该还能够发现类似的现象。换句话就是这个实验应该是可以重复的。这个项目早期意大利科学家也在进行,后来由于经费紧缺等问题与美国合作一起进行,即此次报道中LIGO和VIRGO两个合作组。”

据报道,此次探测到的引力波是由两个黑洞合并引发的。两个黑洞都相当于大质量的恒星,它们不断旋转、靠近,最终以极快的速度相撞后合并成一个黑洞。两个黑洞一个达到太阳质量(即人们常说的重量)的29倍,一个为太阳质量的36倍。据推测,两个黑洞合并发生在13亿年前,二者在合并的过程中释放出约3个太阳质量的能量,相当于不计其数的原子弹在不到1秒的时间内同时爆炸,其产生的引力波在13亿年后传到了地球并被发现。

三问引力波

1.什么是引力波?

这个是专业的解释广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动。引力波被比喻为宇宙中的“时空涟漪”,如同石头丢进水里产生的波纹一样。假如时空是一张巨大的橡胶膜,小球是天体,把小球放在橡胶膜上时,球重会把橡胶膜往下压。这时,若在附近再放一颗球,它们分别造成的“时空弯曲”就会让它们逐渐滚向对方。它们互相加速运动时,产生的“涟漪”就是引力波。宇宙中大质量天体的加速、碰撞、合并等都会形成强大的引力波。

这个是尔欣中直白的解释两个大质量的天体碰撞时,产生的时空扰动向外传播出去。

2.发现引力波为什么令人兴奋?

原因一100年前,爱因斯坦在广义相对论的基础上提出了引力波的存在,并预言强引力场事件可产生引力波,比如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等。不过,基于当时的科学技术水平,他认为引力波太过微弱而无法探测,且他从未相信过黑洞的存在。此次发现引力波,被业内称为找到了“爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块‘拼图’”。

原因二:尔欣中说,学生时代老师对他们讲过,观测宇宙有4种方法,即电磁波,中微子,陨石和引力波,前三种在此之前已经实现,如今,引力波也找到了。

换句话说,以后科学家观测宇宙有了另外一种方式。自20世纪90年代起,在世界各地,一些大型激光干涉仪引力波探测器开始筹建,引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。其中包括位于美国路易斯安那州利文斯顿臂长为4千米的LIGO;位于美国华盛顿州汉福德臂长为的4千米的LIGO;位于意大利比萨附近,臂长为3千米的VIRGO;德国汉诺威臂长为600米的GEO,日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器在2002年至2011年期间共同进行观测。

在这一领域的研究,我国也推出了“天琴计划”。据报道,其主要将分四阶段实施,第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施;第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证,以及空间等效原理实验检验;第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证,以及全球重力场测量;第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术,发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。

3.发现引力波有什么意义?

尔欣中说,发现引力波的意义还不止于此,找到引力波也将有望揭开宇宙起源之谜。现在最广泛接受的宇宙起源模型是所谓的“暴涨”模型。这个模型中预言了两种模式的扰动,一个是现在能看到的物质扰动,形成了星系、恒星等;另外一种扰动的模式就是引力波,但是这种模式引力波的波长非常大,和现在发现的黑洞合并所产生的引力波需要不一样的探测方法。“直白一点说,在宇宙开始,可以想象成充满了‘均匀’分布的‘粒子’,然后最初的一点扰动(就是有些地方的密度比其他地方稍微大一点),这种扰动逐渐演化,密度大的地方吸引其他粒子,密度越来越大,逐渐形成星系、恒星等。这个就是第一种物质的扰动。第二种扰动是时空的曲率(即引力波),没有在物质的分布上直接反应出来,我们需要间接的方法来观测,例如宇宙微波背景辐射。”

有趣的是,《星际穿越》和《三体》两本书不约而同地将引力波作为未来发达世界人类通讯手段,在引力波被发现之前,这也许只是幻想,但将来或许不是了。尔欣中透露,《星际穿越》的作者Kip Thorne教授也是LIGO最早的项目科学家之一。尔欣中曾和几个天文台的同事将其翻译成中文。

引力波被发现 物理学世纪悬案谜底揭开

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