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引力波,爱因斯坦又对了!

2016-02-15 10:28  来源: 新华社

 

爱因斯坦又对了!在这位大科学家提出引力波的预言百年之后,科学家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宇宙讲故事了。

就如同石头被丢进水里产生的波纹,引力波是一种时空涟漪。如今,这种涟漪终于被科学家发现了。科学家们欣喜若狂,“科学粉丝”手舞足蹈,各大网上科技论坛等一片热闹。然后,还有然后么?

当然有。能发现引力波,说明人类深空探测技术已经取得突飞猛进的发展,今后“倾听”宇宙之声,将越来越轻松。相信人类会“听”到或“看”到更多的宇宙故事。而引力波自身,据说蕴含着宇宙诞生的巨量信息,并能够证明各种预见性理论。

 

听宇宙里的“唠嗑”

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。正如LIGO项目组发言人、路易斯安那州立大学物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯所言,那时“多细胞生物才开始在地球上扩散”。合并所产生的引力波信号,经过13亿年的漫长旅行,于2015年9月14日抵达地球,被LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。

“我们能够‘听见’引力波,我们能够‘听见’宇宙,这是引力波最美妙的事件之一。我们将不仅‘看见’宇宙,我们还将‘倾听’它,”她在记者会上介绍。

引力波是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。1915年,爱因斯坦发表广义相对论,并在随后几年的一些论文中预言引力波会产生于强引力场的天体事件。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。

百年来,科学家们对引力波的探测未曾停歇,但举步维艰。直至上世纪70年代,曾有美国科学家在观测双星系统的过程中,发现引力波存在的间接证据,并因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

100年来,也不断有实验声称直接探测到了引力波,并造成过轰动效果,其中包括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。

 

 

不明觉厉的引力波

这么神奇的波,来头不小。它到底有多重要?

先来认识下引力。它无处不在,主导了宇宙和星系。引力是人类最早定量认识的相互作用。牛顿发现引力后的几百年,物理学进展很多。

尽管牛顿的万有引力定律有着几乎完美的实验验证,但观念上把时间和空间分开考虑。而1915年爱因斯坦提出的广义相对论,进一步研究了引力和“时空几何”的关系,认识到引力是一种非常特殊的相互作用。这革新了牛顿的引力观念和时空观念。

 

 

广义相对论论证的一个重点就是,引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。电影《星际穿越》里,一个质量超级巨大的星球,周围的时空是会发生扭曲的,星球质量越大,时空扭曲就越厉害,光和时间概念都发生了改变。起伏、震颤、波浪……你可以用各种词汇形容你理解的时空扭曲。

1916年,爱因斯坦又在广义相对论框架下发表论文,论证了引力的作用以波动的形式传播。这就是引力波的由来。

 

 

幸福来得挺快

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”。

由于引力波产生的效应很小,如果不主动去除外界干扰,不可能从“背景波动”中分辨出引力波信号。地震波、火车噪声、观测设备本身的极微小活动等都会构成干扰。

可是,技术是飞速发展的。《科学》杂志和《自然》杂志都预测,随着探测仪器灵敏度大幅提高,今年的最重大科学发现可能就引力波。一些刚升级的探测器也许能让物理学家一“睹”引力波的真面目,其中之一便是“激光干涉引力波”天文台(LIGO)”。这个位于美国路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市之间数公里长的观测设施已于不久前完成改造工作,其探测灵敏度比5年前提高了10倍。

 

 

LIGO拥有巨大的L形测量臂,每边各有4千米长,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。

探测引力波需要探测器具有极高的灵敏度,还需区分开来引力波信号和环境或仪器噪声。10多个国家超过1000名科学家参与了这个搜寻引力波的项目。《科学》杂志和《自然》杂志都预测,随着探测仪器灵敏度大幅提高,今年的最重大科学发现可能就是引力波。

幸福似乎来得太快。没想到两大顶级科学杂志话音刚落,人类就有了如此大的收获。位于利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了后来被命名为GW150914的引力波信号。科学家们通过进一步的数据分析还证实了这是两个黑洞合并的事件。

 

 

真的幸福来得快吗?你错了。科学家去年9月就观测到了引力波。但科学家也怕闹乌龙,因此需要各方面的论证来证明这确定无疑是引力波。几个月后才宣布本次成果。

LIGO项目共同创始人、麻省理工大学教授赖纳·韦斯说:“如果我们能够把这一消息告诉给爱因斯坦,那么他的表情一定会很好玩。”

在当天的记者会上,也有人问所探测到的引力波信号是不是好得过头了?LIGO项目科学家的回答是,他们花了几个月的时间进行验证,这也是为什么去年9月探测到引力波信号,却拖到今天才宣布。这些科学家还相信,随着探测器灵敏度的提高,今年应该会探测到更多引力波信号。

 

作者: 林小春、彭茜、杨骏   [责任编辑: 宋金玉]