物理界沸沸揚揚,觀測引力波為何如此重要?科學家給出了五個原因

2016年隨著史上第一次引力波的發現，物理界沸沸揚揚。但是引力波為什麼這麼重要呢？標誌著首次引力波發現的歷史性宣告。重要的新聞發布會被舉行，全世界的物理學家都在慶祝這一重大發現。這一發現甚至可以與伽利略第一次用望遠鏡觀察相比。所以為什麼大家這麼大張旗鼓？為什麼引力波如此重要呢？

1.引力波是觀察宇宙的一種全新方式

天文學家通過電磁波譜來觀察宇宙，從光學的X射線和紫外線到射頻。這些頻率範圍中的每一种放射物都可以提供不同的信息，同時也給我們天文學提供了不同的視角。

舉例來說，我們知道在銀河系的中心聚集著數百萬顆恆星，並且它們主要的放射波長在光學波長。但是銀河系的中心同時也有很多塵埃。如果要研究這些塵埃籠罩的恆星的話，天文學家們必須在紅外波長(塵埃發射波長的區間)或者無線電波長中來觀察它們（對於較短的光波來說無線電波能更有效的穿透塵埃）。所有的這些波長都給我們提供了觀察宇宙的獨特視角，但是它們都是相同類型的電磁輻射，所以它們特性都是類似的，都是已經被理解了的。

引力波是一種全新的不同於電磁波譜上的任何東西的現象。在1915年阿爾伯特·愛因斯坦通過他的廣義相對論提出了一種非常獨特的觀察引力的方法。他將引力描述時空中的曲率而不是向不同方向施加的推動和拉動大型物體的力。換句話說，大型物體周圍的空間和時間是彎曲的，然後這些彎曲的空間和時間決定了物體如果通過這個時空。

這可能聽起來非常無釐頭，但是實際上我們可以觀測到愛因斯坦的理論所描述的現象。舉個例子，廣義相對論告訴我們地球上的時間比地球軌道上運行的衛星要慢非常少的一點。這個現象叫做時間膨脹，是時空曲率的所造成。如果我們不調整衛星通信中的這個小時差，我們永遠無法到達我們原先想要去的地方。

廣義相對論框架的結果是當物體通過時空的曲度並加速時會產生稱為引力波的漣漪。這些波在空間中傳播，在一個方向上壓縮並在另一個方向拉伸時空。

這些波的預測頻率在人類聽覺範圍之內。我們可以聽到引力波。科學家和藝術家已經開始聯手從藝術的角度詮釋引力波。

那為什麼我們花了100年才發現引力波呢？因為這些漣漪極其微小，大概是質子核大小的千分之一，所以我們需要一個相對來說非常劇烈的事件來產生足夠的引力波供我們探測。當然同時我們還需要一個非常靈敏的探測器。

2.引力波探測儀是迄今為止最精確的測量系統

為了檢測到時空中的這種微小的扭曲，物理學家使用了一種稱為雷射幹涉儀的儀器。聚焦光束被朝著不同方向發送在兩組鏡子之間來回反彈後被送到檢測器。如果在這些彈射過程中引力波經過幹涉儀，反射鏡之間的距離會發生微小的變化。這個變化會被探測儀轉化為兩個信號之間的測量差異。

不僅來自引力波的信號非常微弱，同時還有很多的噪音幹擾。為了增加引力波對於背景噪音的可檢測性，雷射需要經過很長的路徑。雷射幹涉儀引力波觀測臺（LIGO），這個做出了歷史性探測的儀器每側長達4公裡。為了隔離來自於地面幹擾的引力波引起的稍快的擺動的幹擾，探測器被進一步懸掛在空中。

為了進一步的避免檢測錯誤，LIGO有不止一個，而是兩個探測器：一個在華盛頓州漢福德，另一個在路易斯安那州利文斯頓。在兩個分開的位置檢測懂啊相同的信號意味著檢測到的信號不是本地的信號。而這正是2015年9月14日所發的的事情：在兩個探測器上觀測到了僅差距幾毫秒的具有基準特性的信號。

3.我們知道黑洞可以合併成甚至更大的黑洞

著名的物理學家和作者基普·索恩將創造引力波的事件稱為「空間和時間結構中的猛烈風暴」。在大約13億年前，當地球上的多細胞生物才剛剛萌發時，兩個相互繞行的黑洞開始合併。當這些高密度的物體越來越近時，他們會在供有的強引力場中加速到近一半的光速。這是引力波形成的完美場合。

通過擬和引力波檢測並將其與超級計算機的模擬進行對比，天文學家們可以得出這兩個黑洞原本的質量是太陽的29倍和36倍。它們合併成了一個62倍太陽質量的黑洞，這意味著三倍太陽質量的能量以引力波的形式被釋放。而且所有的這些碰撞都發生在20毫秒內！這是宇宙中所有恆星一起的能量輸出的50倍。

在這第一次探測之前，天文學家還並不確定黑洞的合併是否可能發生。然而現在這一時間的細節都已經被高度確認了。

4.數百人承受極大風險確保此檢測的可能性

雖然愛因斯坦在100年前就預測了引力波的存在，但是在當時，人們對檢測這種微弱信號的可能性保持著很大的疑問。在1992年,LIGO成為了國家科學基金會有史以來最大的投資。這個投資的風險非常大—因為引力波僅理論上存在，即使它們的信號是真實的，如果沒有比之前建造國的任何其他測量設備更大的儀器，是無法檢測到它們的信號的。實際上，LIGO在2002年到2012年間的初步建造一無所獲。

但是當被改進的新型LIGO呈現出更高的靈敏性時，它檢測到了一條非常清晰的信號，甚至可以被肉眼所見。

5.有了探測宇宙的新耳朵，我們甚至可以發現還沒有被想到的發現

這一發現中最激動人心的部分是它還只是一個開始！LIGO如此輕鬆的檢測到引力波的信號說明了它將會檢測到更多的信號。同時我們不必久等。LIGO的探測器還沒有達到事先計劃的靈敏度，因此當它們達到此程度時檢測會變得更加容易。

LIGO的成功也有助於其他類似的項目得到資金贊助。事實上印度總理已經表示支持印度LIGO。其他的支持包括日本的KAGRA,義大利的VIGRO以及德國已經正在運行的GEO600。同時使用多個探測器將進一步幫助確定引力波信號的來源。

LISA項目(即雷射幹涉儀太空天線)自2011年NASA退出以來經歷了資金困境，並完全被歐洲機構接收，也會將引力波探測器送入太空。這即將開啟檢測更長時間段的信號（幾分鐘而不是幾毫秒）的可能性。這是LIGO現在無法實現的。

引力波預計是由像2015年9月探測到的共軌黑洞產生的，但它也可能來源於二院系統中的中子星等其他相聚非常近的物體。但是從根本上引力波與我們熟知的電磁輻射根本不同。所以誰知道我們到底會發現什麼呢？

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. quickanddirtytips-一本正經的猹- Sabrina Stierwalt

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