2016年是多灾多难的一年。然而，2016年的科学研究却是人们乐观情绪的一个来源。 为了解决一个科学问题，你必须相信它是可以被解决的，这使得科学发现拥有了内在的乐观精神。 这些发现能够帮助我们更好地了解自己的世界——它伤痕累累、布满瑕疵，却又美得惊人——而并不常见的重大科学突破也为我们打开了新的认知大门。 2016年，我们迎来了一个这样的突破。 “引力波的发现改变了科学的景观。”《科学》杂志在其评选的2016年十大科学突破中，将有“时空涟漪”之称的引力波被发现评选为“本年度头号突破”。 在2016年的2月和6月，物理学家两度宣布，他们侦听到时空涟漪发出的微弱“声音”，那些涟漪是由两个黑洞碰撞合并造成的。 这些观测结果证实了“引力波”的存在，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）曾在100多年前预言过它们，但在2016年以前，物理学家从未真正探测到引力波。 侦听到引力波的仪器名为LIGO，即激光干涉引力波天文台，它由位于路易斯安那州和华盛顿州的两个大型科学实验项目组成。 这一发现意义重大，不仅仅是因为它回答了一个有100年历史的问题，更因为它开辟了科学的一个全新分支。 目前，我们的天文望远镜只能观测到释放电磁辐射（可见光、X射线以及γ射线等等）的天体。但是，有些天体（比如相互碰撞的黑洞或者是宇宙大爆炸的确凿证据）却不会发出任何电磁辐射。相反，它们释放的是引力。 这就可以解释，为什么有了引力波天文学之后，我们将可能很快观测到宇宙中曾经不可见的天体。 LIGO已经获得了非常多的荣誉：英国《自然》杂志将该科研项目的领导者之一加布里埃拉·冈萨雷斯（Gabriela Gonzales）评为2016年度十大“重要人物”；《物理世界》杂志（Physics World）将LIGO评为“年度突破”；《外交政策》杂志（Foreign Policy）则把LIGO科学家列入年度“全球顶尖思想家”的名单。（LIGO科学家没有拿到2016年的诺贝尔奖，但未来很有可能问鼎。） LIGO和引力波向世人展示，在一个支离破碎的世界里，科学进步仍然拥有强大的势头。 《科学》杂志这样总结发现引力波的重要性：“一门新的科学在向我们招手。” 为什么引力波很重要？ 就像声波扰动空气来发出声音，引力波会扰动时空结构对物质造成拉伸和挤压作用，类似于照哈哈镜。 如果引力波穿过了你，你的一只手臂会变得比另一只更长；如果你在两个手腕上戴上时间一致的手表，那么引力波穿过这两只手表的时间也不会同步。  两颗中子星相互绕转所产生引力波的二维示意图。 任何有质量的物体加速运动都会产生引力波。“举例来说，如果我非常用力地挥动手臂，我就能产生出引力波。”威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家莎拉·考迪尔（Sarah Caudill）说道。 不过，我们没有办法检测到那么微弱的引力波。就目前来说，我们的传感器需要非常非常“响亮”的信号源，比如两个黑洞的碰撞。 “此刻我就沐浴在引力波当中，你也沐浴在引力波当中，”LIGO实验室的执行主任大卫·莱兹（Dave Reitze）说，“我们的干涉仪（即探测器）检测不到它，其原因在于，那些波的振幅——即它们所制造信号的强度——远远低于我们探测器所能检测的范围。” 两个黑洞碰撞会释放出“响亮”*的引力惊雷，但等到引力波在14亿年后抵达地球时，它们已经变得非常微弱（就像一块石头丢进池塘里，引起的涟漪会随着扩散距离越来越大而逐渐变得微弱）。 LIGO（在去年圣诞节期间）侦听到了一阵引力波，它的振幅约为0.7阿米。1阿米合10^-18米，比原子还要小。 下面的GIF动画一开始展示了一个原子的宽度，然后逐渐放大至10^-18阿米。人类能够探测到如此微小的物理现象，这实在令人惊奇。 LIGO由美国国家科学基金会（National Science Foundation）提供资金支持，该科研项目在路易斯安那州和华盛顿州开展了两个大型实验。两处实验的仪器都是巨型的L型真空管，每条管臂都长达2.5英里。 在实验过程中，科学家会把一束激光均分射入两条真空管。管道的末端是一面镜子，它会把激光反射到起点。LIGO实验的目的是找到证据，证明引力波会对时空造成足够大的干扰，致使一条管臂暂时变得比另一条更长。 这一切让科学家付出了数十年的努力：LIGO要验证的理论是在上世纪20年代初被提出来的；LIGO项目在上世纪80年代开始建设，并于2002年首次开机；LIGO在2016年成功侦听引力波并获得确认则是科学家跨国合作的成果。 LIGO现在迎来了一个重要的时刻，但它也映衬出重大的突破需要极深的根基，而科学研究归根结底是一种跨越世代的协作性努力。 引力波天文学还能让我们了解哪些很酷的事情？ 目前，科学家无法让LIGO对着天空的一片区域来寻找引力波。相反，它只是侦听那些在特定时刻穿过地球的引力波。而且，现在的LIGO还不能很好地定位那些引力波的信号源。  上图是科学家于2015年12月26日侦听到的引力波事件所在的大致位置，它在天空中是一片相当广阔的区域。LIGO科学家在一份新闻稿中解释说：“彩线区域代表了信号源所在位置的不同概率：引力波信号源位于最外层紫线区域的概率是90%；而落在最内层黄色区域的概率只有10%。 幸运的是，在未来数十年，全世界将启用多达5台引力波探测器（还有一些会被放置在太空当中）。下一个亮相的探测器是意大利的VIRGO，它定于在2017年开始工作。有了3台探测器之后，科学家将能更好地在天空中找到引力波的信号源。 以下是未来引力波天文学能够实现的一些很酷事情。 1）更进一步回望早期宇宙 我们目前使用的天文望远镜存在一个问题：它们无法观测到非常早期的宇宙。 “如果我们凭借可见光去观测宇宙，那么到了极限，宇宙就不再是透明的了；它会变得不透明。”麦克马斯特大学的粒子物理学家里夫·伯吉斯（Cliff Burgess）说道，“对引力来说，几乎没有什么东西是不透明的。” 有了LIGO，我们有可能侦听到来自早期宇宙乃至大爆炸所产生的引力波，并更好地理解宇宙是如何形成的。 2）对爱因斯坦的广义相对论加以改进 一个世纪前，爱因斯坦发表了他的广义相对论。自那以后，这套理论就主导了我们对引力的理解。然而，包括爱因斯坦本人在内的物理学家早就猜测，广义相对论是不完整的，因为它跟量子力学的定律格格不入。 引力波可以帮助物理学家对广义相对论进行更加严格的测试，从而发现它在哪些地方是不成立的。 “我们已经发现，黑洞完全符合爱因斯坦在100年前提出的理论。”考迪尔说，“所以，那很酷。不过，随着我们进行越来越多的探测，我们可以更深入地探查他的理论，或许还能在其中找到漏洞。” 3）发现新的中子星 中子星是恒星坍缩形成的致密核心，它能释放出巨大的引力。而且，一件很酷的事情是，中子星也能产生光。考迪尔表示，如果你能（通过LIGO）侦听到诸如中子星碰撞或黑洞和中子星碰撞的天文事件，那么你接着就可以用传统的天文望远镜指向它们，观看宇宙灯光秀。 4）了解黑洞相互绕转有多常见 在去年2月的公告之前，科学家没有观测到表明两个黑洞可以相互绕转的证据。现在，我们已经看到它们可以这样做。引力波天文学将帮助我们了解宇宙中存在多少相互绕转的黑洞。 5）寻找暗物质的来源 从理论上说，暗物质在宇宙所有物质中的占比达到了27%。但是，我们从未看到过暗物质（因为它们是暗的！），而且我们也不知道它们从何而来。 物质能够产生引力，也许引力波可以帮助我们追踪暗物质的来源。暗物质可能是以许多微小黑洞的形式存在的，它们可能是宇宙诞生之初所出现的“原始”黑洞的残迹。我们目前还不清楚。 6）寻找新的奇异天体 宇宙是一个广阔的暗黑空间。 “我们可能出乎意料地发现（引力）来源，”哈佛大学理论物理学家阿维·勒布（Avi Loeb）说，“那将是最令人兴奋的。” 也许我们会找到“宇宙弦”的证据，这是理论假设中时空的奇异皱褶，其中蕴含了巨大的能量。只有LIGO的性能得到提升以及更多的同类仪器开始上线运行，我们才更有可能找到新的奇异天体。 那将类似于“从简单的伽利略望远镜发展到我们在山顶安装的天文望远镜，”莱茨说，“在接下来的50年里，这将是一个非常令人兴奋的领域。” 翻译：何无鱼 来源：Vox |
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