科學也可以如此靠近

探測引力波已從公式發展到網絡 或帶來科技革命


2017年12月07日01時 今日科學 中國青年網
中國青年網

資料圖:畫面中的引力波之光,中心如巨型鑽石一般璀璨奪目,鑽石周圍形成泛著紫色和藍色的光圈,一束光線如利劍一般從鑽石中心穿過,帶給人極為震撼的視覺效果。

百年引力波的魅力

10月16日,南京紫金山天文台對外發布一項重大發現,我國南極巡天望遠鏡追蹤探測到首例引力波事件光學信號。另外,我國第一顆空間X射線天文衛星——「慧眼」望遠鏡在此次引力波事件發生時,成功檢測了引力波源所在的天區。

從1916年愛因斯坦在《德國物理學》雜誌上發表《廣義相對論基礎》一文,到2016年2月11日美國國家科學基金會攜加州理工學院、麻省理工學院和LIGO科學合作組織的科學家宣布首次直接探測到了引力波,人類對引力波的探索已經有百年歷程。那麼,引力波到底是什麼,為什麼一代代科學家都對此執著研究?

如同船在水中引起的漣漪

2015年,美國科幻、奇幻和恐怖電影學院將土星獎最佳影片頒給了電影《星際穿越》,這部電影關於時間空間的闡述手法令人稱奇,而影片的科學顧問就是今年諾貝爾物理學獎得主之一基普·索恩,他的獲獎原因是構思和設計雷射干涉儀引力波天文台LIGO,對直接探測引力波作出傑出貢獻。

在2009年以前,基普·索恩一直擔任加州理工學院費曼理論物理學教授,奠定了引力波探測的理論基礎,開創了引力波波形計算以及數據分析的研究方向。辭去費曼教授職務後,他開始鍾情於電影,第一部就是與諾蘭合作的《星際穿越》。

事實上,引力波也是在解釋空間和時間的關係,愛因斯坦在《廣義相對論基礎》一文中認為,空間、時間是一個整體,引力不是通常意義下的力,而是時空彎曲的一種表現,本質是一種幾何現象。這種時空彎曲的曲率與處於時空中的物質直接相聯繫,物質的存在會使周圍的時空發生彎曲,並且會以光速向四周傳播,這種波動即為引力波。

簡單來說,廣義相對論認為,大到天體,小到人類本身,在運動時都會使周圍的時空產生漣漪,就如同船在水中移動時會產生水波一樣,船是物質,水好比是時空,水產生的波動就是引力波。只不過,這樣的波動非常不易察覺,這使得愛因斯坦的引力波理論在很長一段時期都沒有得到實驗驗證。

從一個公式發展到一個網絡

引力波探測的困難,與宇宙的浩瀚不無關係。探測引力波的方式,是利用引力波的潮汐效應,探測引力波作用下兩個物體之間的距離變化,而這種變化,是非常微小的。

一般來說,如果宇宙中發生了超新星爆發、黑洞形成的「大事件」,相應天體會產生巨大的引力波,不過,這樣的現象具有非常大的偶然性,很難遇到並恰好捕捉到。於是,科學家們開始關注另一種天體,一種可以發出連續引力波的天體——雙星。雙星是兩顆繞著共同的重心旋轉的恆星,人們肉眼可見的天狼星就是雙星,其伴星為白矮星。

相對而言,雙星系統運動狀態穩定,引力波輻射可以導致繞轉頻率加快,軌道周期變小,如果能測出雙星變化周期律與廣義相對論中的公式相符,就能間接證實引力波的存在。美國麻薩諸塞大學的赫爾斯和泰勒於1974年用射電望遠鏡發現了第一顆脈衝雙星PSR1913+16,並於4年後測定周期變化率,與廣義相對論公式給出的理論值不超過1%。兩人最終因此成功獲得諾貝爾物理學獎。

就在赫爾斯和泰勒探測脈衝雙星的同時期,麻省理工學院的雷納·韋斯和馬布里休斯實驗室的羅伯特·佛瓦德分別建造了雷射干涉引力波探測器,探測器有兩個相互垂直、長度相等的干涉雙臂,當有引力波通過時,一臂拉升一臂壓縮,光電接收器的光強就會發生變化

因為對引力波探測作出的貢獻,雷納·韋斯也獲得了今年的諾貝爾物理學獎。而在上世紀90年代,包括美、法、意、德、英、日、澳等多個國家在內,都獨立或合作建造了雷射干涉引力波探測器,並且組成一個國際觀測網絡,只要一個觀測器收到信號,就能數據共享。

中國人不會缺席

即便建立了觀測網絡,想要觀測到引力波信號也絕非易事。例如去年探測到的引力波信號GW150914,是13億光年之外兩顆黑洞合併最後階段產生的,相當於29顆太陽與36顆太陽,最後合併成一顆62倍太陽質量高速旋轉的黑洞,在信號釋放到宇宙空間13億年後抵達地球。那麼,如此巨大星球合併產生的引力波引起了實驗儀器怎樣的反應呢?實驗設備4公里的臂長,改變了相當於質子直徑萬分之一的長度,相當於太陽與最近恆星之間的距離,改變了一個頭髮絲的寬度。

那麼,觀測到這「萬分之一質子直徑」的變化,需要多精準的儀器呢?為了排除地震、聲波等干擾,引力波信號需要距離很遠的兩個地方同時檢測到才算數。探測到GW150914信號的兩個探測站,分別位於美國的華盛頓州和路易斯安納州,相距3000公里。

各國之所以投入巨資用於引力波探測,是因為引力波對於天文學和物理學研究有重要作用。人們最初了解宇宙的方式,是仰望星空,但是,光並不能穿透一切物質,而引力波則可以幾乎不受阻擋地穿過一切天體,遙遠恆星的光會被其它介質阻擋,但其產生的引力波不會。這就使得人類了解天體信息的渠道增加了,進一步研究之下,也將對天體物理學和相對論宇宙學產生深遠影響。有的科學家甚至認為,引力波的發現如同電磁波一樣,在未來產生科技革命也不是沒有可能。

在引力波的探測上,中國人也沒有缺席。最近一次引力波事件發生時,全球僅有4台X射線和伽馬射線望遠鏡成功監測到爆發天區,而中國的「慧眼」就是其中一台,而且在四台望遠鏡裡面有效面積和時間解析度最高。

目前,我國已經啟動了由中山大學領銜的「天琴計劃」和中科院高能物理研究所主導的「阿里實驗計劃」,前者是去太空捕捉引力波,將分四個階段約20年實施;後者是在地面探測原初引力波,利用高海拔優勢開展北半球首個搜尋原初引力波的望遠鏡計劃。


延伸閱讀

養花先養根!只需一個動作,葉片綠油油,四季開花不

君無戲言| 不打雞血也信心十足?聽聽這些人說的就

地球上7大最棒的動物舞蹈家,彈塗魚最神奇,蝠鱝令

近年來中國新發現的5個物種,第3個創造了新紀錄

暖哭12萬人!見海龜遭釣線纏繞 海豹心疼幫解開


熱門內容

友善連結



APP