物理學(xué)劃時(shí)代成就！
北京時(shí)間2015年9月14日17:50:45分
激光干涉引力波觀(guān)測平臺的兩個(gè)探測器同時(shí)觀(guān)測到一個(gè)引力波瞬時(shí)事件，與愛(ài)因斯坦廣義相對論預言的一對互相旋轉的黑洞并合成一個(gè)黑洞的計算相符合。
“愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對論百年后，科學(xué)們證實(shí)他的預言，以引力波的形式，我們首次聆聽(tīng)到了宇宙的琴弦，真正興奮的是接下來(lái)會(huì )發(fā)生什么?！?/span>
——LIGO項目執行主管David Reitz
文：錢(qián)童心
物理學(xué)見(jiàn)證了歷史性的一刻。
北京時(shí)間2月11日23點(diǎn)30分，物理學(xué)家宣布人類(lèi)首次直接探測到引力波。
所謂引力波，是100年前愛(ài)因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，就好像石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的“時(shí)空漣漪”。愛(ài)因斯坦曾預言，引力波無(wú)法被探測到，因為即使是天體碰撞形成的最為強大的引力波，傳到地球時(shí)也將變得非常微弱。同為黑洞專(zhuān)家的物理學(xué)大師霍金在接受BBC采訪(fǎng)時(shí)表示，這是科學(xué)史上的重要一刻。
雙黑洞系統想象圖。 圖片來(lái)自L(fǎng)IGO網(wǎng)站
霍金說(shuō)：“引力波提供了看待宇宙新的方式，發(fā)現它們的能力或許能使天文學(xué)發(fā)生革命性的變化。這項發(fā)現是首度發(fā)現黑洞的二元系統，是首度觀(guān)察到黑洞的融合?！彼€表示，“除了檢驗愛(ài)因斯坦的廣義相對論，我們可以期待透過(guò)宇宙史看到黑洞，甚至可以看到宇宙大爆炸時(shí)期初期宇宙的遺跡、看到其中一些最大的能量?！?/span>
這項新的發(fā)現所探測到的引力波，是由13億光年之外的兩顆黑洞在合并的最后階段產(chǎn)生的。這兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別相當于29顆太陽(yáng)和36顆太陽(yáng)的質(zhì)量。合并后合成為一顆質(zhì)量相當于62個(gè)太陽(yáng)的高速旋轉的黑洞。其虧損的質(zhì)量以強大的引力波的形式釋放到宇宙空間。
去年9月，美國科研人員利用“激光干涉引力波天文臺”(Ligo)兩臺孿生的引力波探測器探測到了引力波，隨后花了數月時(shí)間來(lái)驗證數據并通過(guò)審查程序，直到美東時(shí)間2月11日上午10：30宣布了這一重大科學(xué)發(fā)現。這標志著(zhù)全球各地研究團隊數十年的努力達到了最高潮。
外媒援引資助這項研究的美國國家科學(xué)基金會(huì )(NSF)負責人France Cordova稱(chēng)：“如同伽利略首度把天文望遠鏡指向星空，這項新發(fā)現，就會(huì )加深人類(lèi)對宇宙的理解，引發(fā)超乎意料的發(fā)現?！币Σㄒ怨馑賯鞑?，由引力波產(chǎn)生的時(shí)空扭曲非常微小，Cordova表示，人類(lèi)將迎來(lái)天體物理學(xué)全新領(lǐng)域的誕生。
過(guò)去幾十年，人類(lèi)都從未停止過(guò)對引力波的追尋。早在1974年，物理學(xué)家約瑟夫-泰勒和拉塞爾-赫爾斯發(fā)現了一顆編號為PSR B1913+16的脈沖星，他們發(fā)現該脈沖星處于雙星系統中，其伴星也是一顆中子星。根據廣義相對論，該雙星系統會(huì )以引力波的形式損失能量，軌道周期每年縮短76.5微秒，軌道半長(cháng)軸每年減少3.5米，預計大約經(jīng)過(guò)3億年后發(fā)生合并。
泰勒和赫爾斯的發(fā)現間接證明了引力波的存在，也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。
如果再追溯到上世紀60年代，馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家韋伯，發(fā)明了一種共振型的引力波探測器。該探測器有多層鋁筒構成，直徑1米，長(cháng)2米，質(zhì)量約1000千克，用細絲懸掛。當引力波經(jīng)過(guò)圓柱時(shí)，圓柱會(huì )發(fā)生共振，進(jìn)而可以通過(guò)安裝在圓柱周?chē)膲弘妭鞲衅鳈z測到。韋伯曾在相距1000公里的兩個(gè)地方同時(shí)放置了相同的探測器，只有兩個(gè)探測器同時(shí)檢測到的信號才被記錄下來(lái)。1968年，韋伯宣稱(chēng)他探測到了引力波，引起科學(xué)界的轟動(dòng)，但是后來(lái)重復實(shí)現都失敗了。
韋伯和他設計的共振棒探測器
直到1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會(huì )(NSF)的資助下，開(kāi)始聯(lián)合建設“激光干涉引力天文臺”(Ligo)。Ligo的主要部分是兩個(gè)互相垂直的干涉臂，臂長(cháng)均為4000米，兩臂交匯處，從激光光源發(fā)出的光束被一分為二，分別進(jìn)入互相垂直并保持真空狀態(tài)的兩個(gè)空心圓柱體內，然后被終端的鏡面反射回原處，并在那里發(fā)生干涉。若有引力波通過(guò)，便會(huì )引起時(shí)空變形，一臂的長(cháng)度會(huì )略微變長(cháng)，而另一臂則略微縮短，這樣就會(huì )造成光程差發(fā)生變化，激光干涉條紋就會(huì )發(fā)生相應變化。
Ligo與1999年初步建成，2002年開(kāi)始運行。此次發(fā)現引力波的兩臺孿生引力波探測器分別位于華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的列文斯頓，彼此相距3000公里。只有當兩個(gè)探測器同時(shí)檢測到的相同信號，才有可能是引力波。
電磁波只能讓人類(lèi)看到大爆炸38萬(wàn)年之后的景象，而引力波則能讓人類(lèi)回到宇宙大爆炸的最初瞬間。因此引力波一直被認為是人類(lèi)認識宇宙的新窗口，引力波的發(fā)現也必將引發(fā)一場(chǎng)天文學(xué)的革命。除了檢驗廣義相對論之外，引力波還有助于證明其它版本的引力理論是否正確，比如牛頓提出的“萬(wàn)有引力”。還將推動(dòng)引力量子化的研究，并最終把引力融入其它三種基本相互作用，完成愛(ài)因斯坦的偉大夢(mèng)想。
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