人類終可聆聽浩瀚宇宙的呢喃

2020-12-17 中國搜索河南

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核心提示:美國科學家11日宣布,人類首次直接探測到了引力波。這是人類第一次能夠「聽」到宇宙的「聲音」。而引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」,至今已有百年歷史。

LIGO觀測站探測到引力波。

美國科研人員宣布首次探測到引力波。

技術人員在檢查光學部件。

美國路易斯安那州利文斯頓市的雷射幹涉引力波天文臺。

愛因斯坦預言時空產生漣漪

愛因斯坦提出廣義相對論,他還提出,一個大質量物體在發生搖晃時,會在周圍的時空中產生「漣漪」,即引力波,並以光速向四周傳播。

自製儀器宣稱「發現」引力波

馬裡蘭大學帕克分校的物理學家約瑟夫·韋伯宣稱用自製的儀器發現了引力波。當引力波穿過這個大鋁塊時,鋁塊就會產生振動,從而被探測到。

雙中子星的發現帶來新希望

麻薩諸塞大學阿默斯特分校的約瑟夫·泰勒發現脈衝雙星。它包含兩個中子星,在互相繞轉的同時逐漸向內接近,這是因為中子星運動時出現引力波。

1990年雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)獲得批准可以建造,並在1992年確定了兩座探測器的選址。探測器的建設於1999年完工,並於2001年開始收集數據。

「原初引力波」被發現

位於南極的BICEP2設備觀測到了另一種引力波的存在證據。研究者稱,這是一種微弱的微波信號,可能來自於宇宙大爆炸時產生的原初引力波。

在2010年關閉並開始升級的LIGO最終於去年9月重啟。升級後的高級LIGO探測引力波的能力大大提升,並在剛剛開始運行的階段就找到了引力波。

美國科學家11日宣布,人類首次直接探測到了引力波。這是人類第一次能夠「聽」到宇宙的「聲音」。而引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」,至今已有百年歷史。

兩個黑洞合併信號首被探測

在一片嘈雜的背景噪音中,一聲「噗」的清脆聲響,如水滴落水,持續時間短暫得不到1秒,這正是由引力波轉化成的宇宙之聲。當天在華盛頓召開的記者會上,美國「雷射幹涉引力波天文臺」(LIGO)科學家現場播放了來自宇宙的「聲音」。這個聲音源自於13億年前一個雙黑洞系統的合併。

美國加州理工學院、麻省理工學院以及「雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)」的研究人員當天在記者會宣布,他們利用LIGO探測器於2015年9月14日探測到來自於兩個黑洞合併的引力波信號。

據介紹,引力波是一種時空漣漪,如同石頭被丟進水裡產生的波紋一樣。黑洞、中子星等天體在碰撞過程中有可能產生引力波。

100年前,愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。廣義相對論的其他預言如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實,唯有引力波一直徘徊在科學家的「視線」之外。

100年來,也不斷有實驗聲稱直接探測到了引力波,並造成過全球轟動效果,其中比較有名的案例包括20世紀60年代的韋伯實驗,以及2014年的BICEP實驗,但後來都被證明是烏龍。

2、為何難捕獲?

引力波是非常弱的一種信號,弱到連愛因斯坦本人都曾懷疑能否建造足夠靈敏的探測器,探測引力波很長一段時間內被視為「不可能完成的任務」。

20世紀90年代起,大型雷射幹涉儀引力波探測器開始在全球範圍內興建。

該探測器LIGO擁有巨大的L形測量臂,每邊各有4000米長,兩端設有反射鏡面。發出的一束雷射沿著L形互相垂直的兩邊前進並被來回反射。一般情況下,雷射由於幹涉而互相抵消,探測器接收不到光信號,但一旦引力波經過,便會改變雷射通過的距離,從而被觀測到。

3、它有多重要?

包括中國科學家在內的多國科學家認為,新發現不僅填補了廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的拼圖,讓現代物理學的根基更加堅實,也意味著科學家抓住了揭開宇宙奧秘的「鑰匙」,有助於了解宇宙的起源和運行機制。

南非誇祖魯-納塔爾大學的引力波研究專家馬寅哲說,天文學的發現幾百年以來主要靠電磁光譜的測量,射電、光學、紅外等從「看」的角度觀測宇宙,引力波的發現則從「聽」這一完全不同的角度進行天文觀測,引力波天文學這一學科的大門徹底被打開。引力波將成為探測黑洞質量、測量宇宙距離等問題的新窗口。

4、對人啥影響?

LIGO科學合作組織的研究成員、加州理工學院物理學教授陳雁北認為,引力波攜帶的能量很大,但實際對物質產生的作用卻十分微弱,這也是探測它很困難的原因。如果把引力波在地面附近的能量流單位時間和面積算一算,就會發現它不能挪動電荷,所以作用很微弱。

5、可時空旅行?

能否藉助引力波實現星際航行、時空穿越或者星際通信呢?陳雁北教授認為,從理論上講,有可能向一個正在合併的雙黑洞發射一個疊加的引力波,可望產生一種引力波放大效果,但實際上不太可能實現。此外,由於引力波本身造成的時空彎曲是很小的,所以藉助引力波「穿越時空、回到過往」並不現實。

加州理工學院物理系教授魏因施泰也認為,引力波離應用階段還很遠,現在談「藉助引力波時空旅行」等之類的科學幻想以及設想還為時太早,利用引力波的宇宙通信也只是一種微弱的可能。

6、中國怎研究?

據了解,中國擁有「天琴計劃」,該計劃由中山大學發起,其開展我國空間引力波探測計劃任務的預先研究,制定我國空間引力波探測計劃的實施方案和路線圖,提出「天琴」空間引力波探測計劃,並開展關鍵技術研究。

參與此次引力波研究的美國「雷射幹涉引力波天文臺」(LIGO)的數據分析專家、加州理工學院物理系教授艾倫·魏因施泰說,他對「天琴計劃」充滿期待。

陳雁北說,他希望「天琴計劃」實現願景。首先是測量引力波可藉助不同的「窗口」。其次,「天琴計劃」可與LIGO天文臺進行聯合觀測。

引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。人類探測到引力波的這種能力,很有可能引發天文學革命。

——英國著名理論物理學家史蒂芬·霍金

引力波天文學將成為21世紀的天文學。不僅如此,它可能還揭示了有關引力、黑洞及基本物理問題的性質的重要信息。

——美國亞利桑那州立大學物理學家勞倫斯·克勞斯

我們可以預期的是,100年後我們的後輩所知道的將與我們所知道的有天壤之別。

清華團隊開發軟體被機構廣泛使用

LIGO的研究工作由LIGO科學合作組織(LSC)完成,這一合作組織包含來自美國和其他14個國家的1000多名科學家。LSC中的90多所大學和科研機構參與研發了探測器所使用的技術,並分析其產生的數據,清華大學也在其中。

昨天,記者從清華大學獲悉,該校2009年成為LIGO科學合作組織的正式成員,也是該組織在中國內地的唯一成員。清華團隊開發的數據分析軟體工具被整個合作組織的科研人員廣泛使用。

「人類終可聆聽宇宙的呢喃」

昨天,德國馬普引力物理所、清華大學博士後、雷射幹涉引力波天文臺科學合作組織成員胡一鳴第一時間通過「知識分子」微信公眾號進行了解讀。

胡一鳴認為,引力波探測器則是人類的耳朵,人類以前就像是聾子,現在終於可以聆聽宇宙的呢喃。

胡一鳴表示,探測到引力波的意義不僅是驗證了廣義相對論,更對天文探測起著無比重要的作用。他舉例說,正如堵住一隻耳朵,人就無法分辨聲音的來源,只靠一個引力波探測器,也無法確定緻密雙星併合的信號。因此,以地球為腦袋,引力波探測器為耳朵,科學家們架設起了一座傾聽宇宙的「招風巨耳」。

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