捕获引力波有助揭秘宇宙起源 03

2016-02-13  达成书藏
    本报记者 俞陶然

  1916年,爱因斯坦发表了第一篇预示引力波的论文;2016年2月11日,激光干涉引力波天文台(LIGO)科学家宣布探测到引力波。这两座相隔100年的科学丰碑,见证了人类智慧的深邃和宇宙奥秘的玄妙。

  时空波动荡起“涟漪”

  何为引力波?LIGO科学组织成员、清华大学博士后胡一鸣介绍,广义相对论可用一句话概括:“时空告诉物质如何运动,物质引导时空如何弯曲。”当物质分布改变时,时空也会相应变化,这一变化以光速向四周传播,仿佛向平静的湖面丢下一粒石子,湖面会出现一圈圈波浪向外荡去。当宇宙中发生黑洞合并等“大质量事件”时,所产生的时空波动会像涟漪那样传开,这便是引力波。
  引力波在宇宙空间中传播,永远也不会衰减。正因为在传播中几乎不会衰减,人们已幻想未来用引力波通信。
  光学专家、上海理工大学庄松林院士表示,引力波通信等潜在应用还是很遥远的事,但如今,引力波探测的科学价值是显而易见的。黑洞等大质量天体合并、超新星爆发、100多亿年前的宇宙大爆炸……都有望通过被探测到的引力波去揭开宇宙起源和演变的奥秘。引力波天文学将是继电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后,人类认识宇宙的全新窗口。

  1秒内释放“3个太阳”

  由于引力波非常微弱,探测引力波很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。上世纪70年代,加州理工学院莱纳·魏斯等人提出了激光干涉方法。这种方法采用迈克耳孙干涉仪原理,让激光在反射镜中来回反射,形成干涉条纹。引力波传到地球后,会引起干涉条纹的位移。虽然位移距离极小,但探测灵敏度如果达到10的负21次方以下量级,就有望发现引力波。
  1991年,加州理工学院、麻省理工学院在美国国家科学基金会的资助下,开始联合建设LIGO。引力波探测器的主要部分是两条互相垂直的干涉臂,臂长均为4公里。两臂交会处,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超真空状态的空心圆柱体内,然后被终端的镜面反射回原出发点,并在那里发生干涉。若有引力波通过,便会引起时空变形,一臂的长度略微变长,另一臂的长度略微缩短,从而造成光程差变化,激光干涉条纹也会发生相应变化。
  经过2010年至2015年的升级改造,探测器灵敏度提高了10倍,达到10的负23次方,被称为“先进LIGO”。此次宣布探测到的引力波,其信号是去年9月14日捕获的。它来自13亿光年外,产生于两个黑洞的合并,合并时的一瞬间,有3个太阳质量的能量以引力波形式在不到1秒内释放。经过13亿年旅行,这圈“宇宙涟漪”被LIGO的两台探测器先后捕获。

  我宜先启动地面探测

  在引力波探测领域,虽然美国LIGO项目已捷足先登,但欧洲、日本、印度等多个国家和地区也都在开展激光干涉仪引力波探测项目。
  在我国,科学界在引力波探测领域有较大分歧。一派观点认为,地面上探测引力波的噪音太多,应率先在太空中探测,使我国在这一领域占据国际领先地位。另一派观点认为,鉴于目前的技术水平,很难在太空中建立非常稳定的干涉臂,我国应先启动地面探测项目。
  去年,中山大学发起“天琴计划”,提出分4个阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术,最终发射3颗地球高轨卫星进行引力波探测。庄松林认为,我国科技界的当务之急是启动国际主流的地面探测项目,以便尽快开展引力波天文学研究。
        
  引力波激起的一串问号

  引力波是一种声音吗?能不能实现科幻作品里的应用?“带走”3个太阳质量的引力波来了,要不要害怕?那么费劲探测爱因斯坦一百年前预言的引力波,到底为什么?

  引力波:声音或乐器?

  “我们愿意把它称为一种声音,但引力波并不是声音,”参与引力波研究的LIGO天文台的数据分析专家、加州理工学院物理系教授艾伦·魏因施泰解释说,声音以音速在空气中传播,而引力波则是以光速传播,可以在真空中传播。两者都是一种震动,但引力波是一种全新的震动方式。LIGO天文台将探测器连接到扩音器,从而“听到”引力波的声音。
  LIGO科学合作组织的研究成员、加州理工学院物理学教授陈雁北则指出,引力波也是一种机械振动,如同用非常大的能量,在宇宙中敲响了一面蒙皮紧绷的鼓。

  引力波袭来会怎样?

  陈雁北说,引力波携带的能量很大,但实际对物质产生的作用却十分微弱,这也是探测它很困难的原因。如果把引力波在地面附近的能量流单位时间和面积算一算,就会发现它不能挪动电荷,所以作用很微弱。如果某人站在引力波波源附近,而引力波向此人正面袭来,从理论上说人会变得矮胖,再抻长,再变矮胖……如此反复,但实际上在地面是很难探测到引力波的。

  引力波能让科幻成真?

  能否借助引力波实现星际航行、时空穿越或者星际通信呢?
  陈雁北说,引力波非常微弱,因此很难发射可以被接收和探测的引力波。从理论上讲,有可能向一个正在合并的双黑洞发射一个叠加的引力波,可望产生一种引力波放大效果,但实际上不太可能实现。此外,由于引力波本身造成的时空弯曲是很小的,所以借助引力波“穿越时空、回到过往”并不现实。
  魏因施泰说,引力波离应用阶段还很远。现在谈“借助引力波时空旅行”之类的科幻设想还为时太早,利用引力波的宇宙通信也只是一种微弱的可能。

  “天琴计划”如何借力?

  这项研究与中国的引力波探测工程“天琴计划”有何异同?陈雁北说,他希望“天琴计划”实现3个愿景。第一,测量引力波可借助不同的“窗口”。如果中国的空间引力波项目观测到大质量或超大质量的黑洞并合,将对人类理解宇宙演化起到非常重要的作用。
  其次,“天琴计划”可与LIGO天文台进行联合观测。比如,信号首先进入“天琴”的观测范围,随后抵达LIGO天文台,再次被观测,将使科学家对同一波源掌握更多信息。此外,将“天琴计划”作为发展空间技术的平台,促成不同领域科学家的合作,无疑对中方计划具有重要意义。 (据新华社电)

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