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引力波:宇宙中的“时空涟漪”  

2016-02-12 19:10:54|  分类: 精彩节目 |  标签: |举报 |字号 订阅

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昨日,美国加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台”的研究人员在华盛顿举行记者会,对外正式宣布他们探测到引力波的存在。引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。在爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波存在的一百年之后,引力波终于被人类所发现。 

引力波:宇宙中的“时空涟漪” 

在物理学上,引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,如同石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。如果将时空看成一张大橡胶膜,用小球代替天体,当小球被放上橡胶膜时,球的质量会把橡胶膜往下压。这时,如果在旁边再放一颗球,两颗球分别造成的“时空弯曲”就会让它们逐渐滚向对方。当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、碰撞和合并等事件都会形成强大的引力波。 

宇宙学的“世纪悬案” 

100年前,爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波的存在。但由于引力波探测难度巨大,科学家在过去100年中始终没能一睹引力波的真面目。因此,探测引力波的工作时常被戏称为“世纪悬案”或者“全宇宙最徒劳无益之事”。不过,尽管如此,科学家始终没有放弃探寻引力波的脚步。 

从上世纪60年代棒状引力波探测器被发明,到1974年美国物理学家乔瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯首次发现一个双星系统正在损失能量,再到2009年发射的普朗克卫星,以及去年升空的“LISA探路者”试验探测器等。在过去的一百年中,科学家们尝试了各种方式来探寻引力波的踪影。但由于引力波信号极其微弱,探测难度极大,科学家们此前始终都没有拿出令人信服的结果。 

引力波的发现是科学界里程碑式成果 

1.成为支持广义相对论的有力证据: 

引力波的发现,使得相对论所预言的所有实验现象已全部被验证。过去一百年中,广义相对论中的其他预言,例如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应等都已得到证实,唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。 

2.观测宇宙的一扇新窗户: 

一直以来,人们观测宇宙的主要手段是观测光,几乎所有天文实验都是在收集光子。引力波的发现,将为天文观测提供了一种新的手段,这将是全新的天文学领域,帮助人类更好地了解黑洞、中子星和其他难以采用传统方法进行观测天体。 

3.解开宇宙诞生之谜的重要线索: 

科学界目前普遍认为,宇宙诞生于距今约140亿年前的一次“大爆炸”。在大爆炸之后不到1秒钟的原初时刻,宇宙曾在极短时间内经历了速度快到无法想象的急剧膨胀,这一过程称为“暴涨”。根据广义相对论,宇宙诞生之初产生了引力波,这种引力波被称为原初引力波,它忠实记录了暴涨时期的物理过程,并一直存在于宇宙空间内,如果被发现并得到证实,将很大程度上帮助人类了解宇宙诞生之谜。 

设备探测到两个黑洞合并过程中产生的引力波 

根据爱因斯坦的计算,引力波的强度非常微弱,在浩瀚的宇宙中想要把它探测到十分困难。为此,激光干涉引力波天文台在美国的华盛顿汉福德与路易斯安纳州之间设置了两个探测器(LIGO),呈现L型排列,利用迈克尔逊干涉仪原理进行测量引力波。两个天文台使用完全相同的设备,但间隔数千公里,彼此进行相关验证,排除偶然因素导致的误判。L型测量臂很长,达到4公里,两个测量臂垂直排列,两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射,如果干涉条纹发生了变化,就说明探测到了引力波。 

在2002年至2010年之间,激光干涉引力波天文台设施验证了其设计概念的可行性,随后经历了长达5年的关闭升级。直到2015年9月份,升级后的该设施被重新启用,其探测灵敏度相比2010年提高了约10倍。 

重启后的设施探测到两个黑洞合并过程中产生的引力波,这两个黑洞合并前质量分别相当于36个与29个太阳质量,合并后的总质量是62个太阳质量。这意味着3个太阳质量在合并过程中释放,释放出的能量相当于数以亿亿亿亿计的原子弹同时爆炸,威力相当惊人。这些被释放的能量便是此次科学家探测到的引力波。 

“这一次,错误的可能性为零!” 

在一百年来寻找引力波的道路上,科学家们经历了无数的希望和失望。那么这次科学家们宣布发现了引力波,存不存在闹乌龙的可能性呢? 

在新闻发布会后接受采访时,激光干涉引力波天文台执行主管显得自信满满:这一次,错误的可能性为零!我们有很多种分析数据的方式,每种方式都显示了同样的数据。我们还确定我们的探测器可靠。事实上我们的两座探测器都收到了同样的信号,它们之间相距了3000公里的距离,这就是为什么如此自信。 

这一发现有望拿诺贝尔奖 

激光干涉引力波天文台执行总监雷茨说:“400年前,伽利略把望远镜指向星空,开启了现在现代天文观测的时代,今天我们所做的重要性可以与之比肩。我认为,我们开启了了解宇宙的一扇窗,一扇引力波天文学之窗。”而对于此次公布的引力波探测结果,一些科学家也表示,这一发现“可以跻身过去25年最重要的宇宙学发现之列”,有望获得诺贝尔奖。 

来源:央视新闻

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