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人类终可聆听来自浩瀚宇宙的呢喃

发布日期:2016年02月14日字体: 【大】【中】【小】

  1916年6月
  
  爱因斯坦预言时空产生涟漪
  
  爱因斯坦提出广义相对论,他还提出,一个大质量物体在发生摇晃时,会在周围的时空中产生“涟漪”,即引力波,并以光速向四周传播。
  
  1969年6月
  
  自制仪器宣称“发现”引力波
  
  马里兰大学帕克分校的物理学家约瑟夫·韦伯宣称用自制的仪器发现了引力波。当引力波穿过这个大铝块时,铝块就会产生振动,从而被探测到。
  
  1974年
  
  双中子星的发现带来新希望

  马萨诸塞大学阿默斯特分校的约瑟夫·泰勒发现脉冲双星。它包含两个中子星,在互相绕转的同时逐渐向内接近,这是因为中子星运动时出现引力波。
  
  1990年
  
  LIGO获批建造
  
  1990年激光干涉引力波天文台(LIGO)获得批准可以建造,并在1992年确定了两座探测器的选址。探测器的建设于1999年完工,并于2001年开始收集数据。
  
  2014年3月
  
  “原初引力波”被发现
  
  位于南极的BICEP2设备观测到了另一种引力波的存在证据。研究者称,这是一种微弱的微波信号,可能来自于宇宙大爆炸时产生的原初引力波。
  
  2015年9月
  
  高级LIGO
  
  在2010年关闭并开始升级的LIGO最终于去年9月重启。升级后的高级LIGO探测引力波的能力大大提升,并在刚刚开始运行的阶段就找到了引力波。
  
  美国科学家2016年2月11日宣布,人类首次直接探测到了引力波。这是人类第一次能够“听”到宇宙的“声音”。而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”,至今已有百年历史。
  
  两个黑洞合并信号首被探测
  
  在一片嘈杂的背景噪音中,一声“噗”的清脆声响,如水滴落水,持续时间短暂得不到1秒,这正是由引力波转化成的宇宙之声。当天在华盛顿召开的记者会上,美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)科学家现场播放了来自宇宙的“声音”。这个声音源自于13亿年前一个双黑洞系统的合并。
  
  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(LIGO)”的研究人员当天在记者会宣布,他们利用LIGO探测器于2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号。
  
  据了解,LIGO探测器是美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造的两个引力波探测器,不久前完成了改造升级,其探测灵敏度相比2010年提高了约10倍。
  
  释疑
  
  1、何为引力波?
  
  据介绍,引力波是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹一样。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。
  
  100年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。
  
  100年来,也不断有实验声称直接探测到了引力波,并造成过全球轰动效果,其中比较有名的案例包括20世纪60年代的韦伯实验,以及2014年的BICEP实验,但后来都被证明是乌龙。
  
  2、为何难捕获?
  
  引力波是非常弱的一种信号,弱到连爱因斯坦本人都曾怀疑能否建造足够灵敏的探测器,探测引力波很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。
  
  20世纪90年代起,大型激光干涉仪引力波探测器开始在全球范围内兴建。
  
  该探测器LIGO拥有巨大的L形测量臂,每边各有4000米长,两端设有反射镜面。发出的一束激光沿着L形互相垂直的两边前进并被来回反射。一般情况下,激光由于干涉而互相抵消,探测器接收不到光信号,但一旦引力波经过,便会改变激光通过的距离,从而被观测到。
  
  3、它有多重要?
  
  包括中国科学家在内的多国科学家认为,新发现不仅填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图,让现代物理学的根基更加坚实,也意味着科学家抓住了揭开宇宙奥秘的“钥匙”,有助于了解宇宙的起源和运行机制。
  
  南非夸祖鲁-纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲说,天文学的发现几百年以来主要靠电磁光谱的测量,射电、光学、红外等从“看”的角度观测宇宙,引力波的发现则从“听”这一完全不同的角度进行天文观测,引力波天文学这一学科的大门彻底被打开。引力波将成为探测黑洞质量、测量宇宙距离等问题的新窗口。
  
  4、对人啥影响?
  
  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认为,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。
  
  “如果把时空类比为弹簧,那么一定是一个很硬很硬的弹簧,用很大的能量才能压动一点点。”陈雁北说,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。
  
  5、可时空旅行?
  
  能否借助引力波实现星际航行、时空穿越或者星际通信呢?陈雁北教授认为,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。
  
  加州理工学院物理系教授魏因施泰也认为,引力波离应用阶段还很远,现在谈“借助引力波时空旅行”等之类的科学幻想以及设想还为时太早,利用引力波的宇宙通信也只是一种微弱的可能。
  
  6、中国怎研究?
  
  据了解,中国拥有“天琴计划”,该计划由中山大学发起,其开展我国空间引力波探测计划任务的预先研究,制定我国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,提出“天琴”空间引力波探测计划,并开展关键技术研究。
  
  参与此次引力波研究的美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的数据分析专家、加州理工学院物理系教授艾伦·魏因施泰说,他对“天琴计划”充满期待。
  
  陈雁北说,他希望“天琴计划”实现愿景。首先是测量引力波可借助不同的“窗口”。其次,“天琴计划”可与LIGO天文台进行联合观测。
  
  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。——英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金
  
  引力波天文学将成为21世纪的天文学。不仅如此,它可能还揭示了有关引力、黑洞及基本物理问题的性质的重要信息。——美国亚利桑那州立大学物理学家劳伦斯·克劳斯
   
  我们可以预期的是,100年后我们的后辈所知道的将与我们所知道的有天壤之别。——参与LIGO项目的美国宾夕法尼亚州立大学科学家查德·汉娜
  
  焦点
  
  清华团队开发软件被机构广泛使用
  
  LIGO的研究工作由LIGO科学合作组织(LSC)完成,这一合作组织包含来自美国和其他14个国家的1000多名科学家。LSC中的90多所大学和科研机构参与研发了探测器所使用的技术,并分析其产生的数据,清华大学也在其中。
  
  昨天,记者从清华大学获悉,该校2009年成为LIGO科学合作组织的正式成员,也是该组织在中国内地的唯一成员。清华团队开发的数据分析软件工具被整个合作组织的科研人员广泛使用。
  
  该团队的科学家坦言,虽然国际上引力波科学研究和观测工作开展得如火如荼,但我国在这方面的基础还相对薄弱,目前尚没有自主建设的引力波天文台。在他们看来,我国亟须自主建设引力波天文台,有开放合作的心态,要充分借鉴国际上已有的研究和实验成果。
  
  解读
  
  “人类终可聆听宇宙的呢喃”
  
  昨天,德国马普引力物理所、清华大学博士后、激光干涉引力波天文台科学合作组织成员胡一鸣第一时间通过“知识分子”微信公众号进行了解读。
  
  胡一鸣认为,引力波探测器则是人类的耳朵,人类以前就像是聋子,现在终于可以聆听宇宙的呢喃。
  
  胡一鸣表示,探测到引力波的意义不仅是验证了广义相对论,更对天文探测起着无比重要的作用。他举例说,正如堵住一只耳朵,人就无法分辨声音的来源,只靠一个引力波探测器,也无法确定致密双星并合的信号。因此,以地球为脑袋,引力波探测器为耳朵,科学家们架设起了一座倾听宇宙的“招风巨耳”。来源:《京华时报》

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