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科学家宣布探测到引力波 广义相对论最后预言获证

2016-02-13  3gzylon

科学家宣布探测到引力波 广义相对论最后预言获证

2016-02-13 03:14 来源:光明网-《光明日报》 我有话说

  美国东部时间2月11日上午,美国国家科学基金会与来自加州理工学院、麻省理工学院以及科学合作组织“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的科学家在华盛顿全国新闻中心共同宣布,LIGO于去年9月14日首次探测到引力波,证实了爱因斯坦100年前所做的预测,弥补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。

  引力波是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹,在黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发时产生。早在1915年,爱因斯坦就曾预言了引力波的存在。迄今为止,爱因斯坦的广义相对论中有关“光线的弯曲”“水星近日点进动”以及“引力红移效应”等预言都已获证实,唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。

  在美国国家科学基金会资助下,麻省理工学院、加州理工学院联合建设了LIGO,并从2003年开始收集数据。LIGO由两套干涉仪组成,是两个互相垂直的L形排列的干涉臂,臂长均为4000米。LIGO干涉仪的工作原理是,在两臂交会处,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超真空状态的两空心圆柱体内,然后被终端的镜面反射回原出发点,并在那里发生干涉。如果是微小变化、微弱地震和其他干扰信号,其记录将只出现在一台干涉仪中,而真正的引力波信号则会被两台干涉仪同时记录。

  目前世界上共有4个引力波探测器,其中3个部署在美国,即华盛顿州汉福德市的两个和路易斯安那州利文斯顿市的一个。

  开启人类探索宇宙的大门

  美国东部时间2015年9月14日5时50分45秒,位于利文斯顿的引力波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。这意味着后来被命名为GW150914的引力波传到了地球,并被两个天文台探测到。LIGO认为,此次探测到的引力波是由两个黑洞合并引发的。这两个直径约为150公里的黑洞不断靠近、旋转,并最终以1/2倍光速的速度相撞后“合二为一”。这两个质量分别为太阳质量29倍、36倍的黑洞,在合并的过程中释放出约3个太阳质量的能量,其产生的引力波经13亿年的漫长传播最终抵达地球。

  科学界普遍认为,引力波的发现是物理学、天文学研究的一项重大突破,开启了人类探索宇宙的一扇大门,甚至可能揭开宇宙诞生的奥秘。

  LIGO创始者之一、麻省理工学院物理学教授雷纳·维斯说,“引力波的发现完美地印证了爱因斯坦在100年前的预言”。

  英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金表示:“引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。(人类)探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。”

  哥伦比亚大学物理学教授绍博尔齐·马尔卡则形象地比喻说,此前人类的天文学发现都好似“眼睛”,而引力波的发现意味着人类长了“耳朵”,“引力波所携带的大量信息,可以帮助科研人员更好地了解黑洞”。

  全球科学家共同努力的结果

  此间舆论指出,美国科学家之所以能完成发现引力波这一“重大里程碑”,开启观测宇宙的一个新窗口,源自于坚持不懈的探索精神和巨大的科研资金投入。

  引力波的发现是世界各国科学家前赴后继、不懈努力的成果。早在20世纪60年代,马里兰大学的物理学家韦伯首先提出了一种共振型引力波探测器,立刻引起了学界的轰动,但是后来的重复实验都一无所获。自1974年,泰勒和赫尔斯对双星系统的轨道进行了长时间观测,发现了引力波存在的间接证据,并因此获得1993年诺贝尔物理学奖。而从1991年至今,共有来自加州理工、麻省理工、清华大学、台湾新竹清华大学等10多个国家和地区90多所高校的1000名科学家参与了LIGO的日常探测和研究。LIGO发言人、物理学教授盖普瑞拉·冈萨雷兹表示,“这是全球科学家共同努力的结果”。

  引力波的发现也体现了科学界一丝不苟的严谨精神。有关LIGO发现引力波的传言已在物理学界传播了几个月,最早透露这一消息的是美国亚利桑那州立大学物理学家克劳斯。不过,传言一直未获得LIGO项目组证实。LIGO项目科学家称,他们花了几个月的时间进行验证,这也是为什么去年9月探测到引力波信号,却拖到今年2月才宣布的主要原因。从20世纪60年代就加入到探寻引力波的LIGO创始人之一、理论物理学家基普·托恩说,“就在几天前,我还瞒着我的妻子”。

  LIGO的成功离不开巨大的研究经费支持。据《华盛顿邮报》报道,美国国家科学基金会资助了LIGO项目建设和运行。过去几十年,该基金会为此项目共提供了11亿美元经费。2002年至2010年,LIGO项目进展虽遭遇瓶颈,美国国家科学基金会并未放弃,并于去年秋天向LIGO再投入2亿美元重新设计干涉仪以提升其敏感度。之后,重新开始搜寻工作的LIGO科学家们终于“听到了声音”。

  引力波的发现也不乏“趣闻”。据美国《科学》杂志披露,在LIGO工作的1000多位科学家中,马克·德拉戈什最早发现了期待已久的引力波信号。德拉戈什今年33岁,是一名热衷于弹奏古典钢琴的博士后,来自意大利帕多瓦,目前,德拉戈什在为LIGO探测提供数据分析的德国汉诺威马克斯·普兰克重力物理学研究院工作。由于德拉戈什出版过两本科幻小说,因此整个LIGO团队一度还曾“善意地猜测”,其发现有可能是“幻想出来的”。不过,很快,大家都开始一起为德拉戈什以及整个团队保守这个“令人兴奋的秘密”,直至2月11日“激动人心的时刻”到来。(光明日报华盛顿2月12日电 光明日报驻华盛顿记者 韩显阳) 

  链接

  清华大学研究团队亦有贡献

  光明日报北京2月12日电(记者邓晖)2月11日,科学家宣布发现引力波,广义相对论最后预言获证。记者12日从清华大学获悉,作为目前中国大陆唯一一个LIGO科学合作组织成员(以下简称LSC),清华大学研究团队在引力波的成功探测中作出贡献。

  据介绍,清华研究团队主要与麻省理工学院、加州理工学院和西澳大利亚大学等LSC成员合作开展工作,着重采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率,参与了LSC引力波暴和数据分析软件等工作组相关研究,主要研究成果包括GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻;采用机器学习方法加强引力波数据噪声的分析;分析引力波事件显著性的系统误差等。清华研究团队还参与构建引力波数据计算基础平台,开发的数据分析软件工具为LSC成员广泛使用。这一工作获得了国家自然科学基金委和清华大学自主科研计划项目的支持。

[责任编辑:孙宗鹤]

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