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探测到引力波,爱因斯坦又赢了

2016-02-14  汉青的马甲


图说:分别位于列文斯顿和汉福德的LIGO探测器以及它们分别探测到的引力波信号

《财经》记者  王小/文

北京时间2月11日23点30分,一个联合研究团队向全世界宣布,美国的激光干涉引力波观测站(LIGO)首次直接探测到了引力波,其波源来自13亿光年之外的遥远宇宙空间,由两个黑洞碰撞并合所引发。

“研究所的理论物理学家多数聚集在餐厅观看引力波探测的新闻发布会。看到宣布发现引力波的一刻大家一起欢呼鼓掌……其实本该在办公室独自观看,因为在公开的场合必须强忍泪水。”美国麻省理工学院物理教授文小刚在朋友圈写道。

新发现如此激动人心,是因为“原初引力波”就是广义相对论实验验证中最后一块缺失的的“拼图”。 1916年爱因斯坦在广义相对论的框架内,发表论文论证了引力波。来自大质量天体引力的相互作用,比如黑洞合并会在时空中产生涟漪,并向外传播扩散,就像水池中水的扰动向外传播的波纹一样,这种弯曲时 - 空中的涟漪就是引力波。

中山大学天文与空间科学研究院院长李淼对《财经》说:“LIGO这一划时代的发现开启了物理学的引力波时代,引力波从此由理论上的存在变成事实上的存在。”一个理论终究需要被实验证实,源于广义相对论的其他重要预言,如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应等都一一被实验证实,原初引力波的实验验证是支持广义相对论的最后一个有力证据,它使相对论包括狭义和广义所预言的所有现象全部被实验验证。

为这一刻,科学家们忍受了漫长的等待。早在20世纪70年代以来,世界上有好几个实验室研制安装了利用激光干涉探测法进行引力波探测的设备,即激光干涉引力波探测器。如美国的LIGO、德国的GEO600、日本TAMA和意法合作的VIRGO。

利用干涉仪进行探测的基本原理在于,比较光在其相互垂直的两臂中度越时所用的时间。当引力波在垂直于干涉仪所在的平面入射时,由于它特殊的偏振特性,使干涉仪的一臂伸长而使另一臂缩短,从而使光束在两臂中度越时所用的时间差发生变化,探测到这种变化就证实引力波的存在。

美国LIGO项目在上世纪90年代初启动。由美国国家科学基金资助,由加州理工学院和麻省理工学院构思、建造并运行。LIGO拥有两套干涉仪,一套在路易斯安纳州的列文斯顿(Livingston, Louisiana),另一套在华盛顿州的汉福德(Hanford, Washington)。列文斯顿的干涉仪有一对封闭在直径112米真空管中的长4千米的臂,汉福德的干涉仪稍小,是一对2千米长的臂。两个探测器距离3000公里(相当于光速传播10毫秒)。

从上图可见,激光器发出激光,被分成两束,这两束频率完全同步的激光分别进入两个长4公里,相互垂直的真空管。两束激光在各自的管道中来回反射400次,最后叠加,进行相消干涉。在正常情况下,它们应该相互抵消。如果有引力波经过,使两条管道产生不同的长度变化(一条变长,一条变短),造成两道激光的光程差,最后合并的时候,它们就会产生干涉条纹。

广西师范大学物理与电子工程学院唐江凌等研究人员在《漫谈引力波探测》中指出,因为激光强度的微小变化、微弱的地面颤动,甚至研究人员在实验室附近活动引起的震动等种种干扰,看起来都可能像引力波信号;然而如果是干扰信号,其记录将只会出现在一台干涉仪中,真正的引力波信号则会被分处两地的两台干涉仪同时记录。所以科学家可对两地的数据记录进行比较而得知哪些信号是噪声、哪些信号是引力波信号。

这次被确证测到的引力波信号,是在世界协调时间2015年9月14日9时51(北京时间当天下午17时51分)。这一引力波首先到达列文斯顿探测器,7毫秒之后到达汉福德探测器,这意味着引力波源位于南半球天区。

根据LIGO的这一观测信号,科学家算出事件发生在距离地球十几亿光年之外的一个遥远星系中。两个分别为36和29太阳质量的黑洞,在不到一秒的时间内,并合为62太阳质量黑洞,双黑洞并合最后时刻所辐射的引力波的峰值强度比整个可观测宇宙的电磁辐射强度还要高十倍以上。

过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空,扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去。因此,引力波的本质就是时空曲率的波动,被谓为时空的“涟漪”。

这一发现是由LIGO科学合作组织(包含GEO合作组织和澳大利亚干涉引力天文协会)以及Virgo合作组织共同完成,数据来自两个 LIGO探测器。作为中国大陆唯一LIGO科学合作组织成员,清华大学研究团队作出贡献。该论文被《物理评论快讯》(Physical Review Letters)期刊接受发表。

这个发现将极大促进其他引力波探测实验的发展。不过,爱因斯坦可能对这一发现并不会像继承者这样激动,他当初“认为引力波太过微弱而无法探测,并且他从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。”马克斯·普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所)所长艾伦(Bruce Allen)对外称。

这个新发现仅仅是人类探测引力波的开端,因为其仅限于可能辐射引力波很多种源中的一种,即合并的双黑洞系统,且处于银河系外。李淼说:“引力波存在且可以被探测到将为我们打开观测宇宙中一些天体物理过程的一个新窗口,人类观测宇宙从此有了两个窗口:电磁波和引力波。引力波天文学将成为物理学与天文学一个新分支,人类将更加深刻地认识宇宙。天文学在21世纪将进入引力波天文学时代。”

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