单位文秘网 2021-07-24 08:10:53 点击: 次
正月初五是中国传统迎财神的日子。但2016年的这一天,不仅中国,全世界的物理学界都沸腾了,仿佛迎来了它们的“财神”——被预言已经百年的引力波,终于被探测到了。一位物理学家甚至这样形容自己的心情:“在新闻发布会上,我的心中就暖流涌动,那是一种强烈的感动,感动到想哭的感觉。”
相信大家都已经被各种社交媒体上的“引力波”洗脑了,可能你已经了解了什么是引力波,但为什么探测到它需要百年努力?它又能给世界带来什么?
相对论的一百年
1916年,伟大的爱因斯坦正式发表相关论,这是关于时空和引力的理论。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的常识性观念,提出了时间和空间的相对性。它涉及到四维时空和弯曲空间等全新的概念,把我们的认知提升到了一个新的高度。
在此后的100年时间里,相对论获得了巨大的发展,它所预言的科学原理一个个被验证:光线弯曲被证明了,时间变慢也被证明了,而且还应用在GPS定位系统……但是,相对论还缺乏最重要的一项验证,那就是引力波是否存在。
2016年,相对论发表一百周年之际,物理学家最大的期盼就是找到引力波,让相对论变得十全十美,以此作为向爱因斯坦献上的一份厚礼。
今天,即便是最不相信这位老头言论的人恐怕也不得不承认,引力波的出现让爱因斯坦赢得了彻底的胜利。尽管他的相对论与牛顿的的经典力学存在着一些抵触,尽管引力波属于相对论的范畴,但引力波依然在相对论与经典力学将架起了一座桥梁,让两者相互包容,也让相对论变得十全十美。
有人说,爱因斯坦不是地球人,他那个伟大的头脑属于拥有高智慧的外星人。现在看来,这番评价也许并不夸张,爱因斯坦让我们对时间、空间,以及对宇宙,有了全新的认识。引力波的发现,给地球带来了巨大的震动,这不仅涉及到科学本身,同样也波及了人类心中固有的观念。
寻找引力波的巨擘
早在20世纪60年代,美国人就打造了第一架实际投入应用的引力波探测器——一个铝质实心圆柱。随后,更为高级且复杂的铝质圆柱形探测器也出现了。不过,它们并没有提供什么实质性的探测结果。20世纪70年代之后,美国的激光干涉引力波探测器开始登场,几乎与此同时,法国和意大利也建造了一个类似的探测设备。
如果说铝质实心圆柱是第一代引力波探测器的话,那么激光干涉引力波探测器就属于第二代。此次找到引力波的就是激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO),这是分别位于美国路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德的两个引力波探测器。
1991年,麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会(NSF)的资助下,开始联合建设激光干涉引力波天文台(LIGO)。1999年11月,LIGO建成,耗资3.65亿美元。2005-2007年,科学家对它又进行了升级改造,采用了更高功率的激光器,以及更为强大的减振器。但在此期间,LIGO并未能找到引力波存在的可靠证据。直到2015年,最新的激光干涉引力波天文台正式上线,来自十多个国家,超过1000名科研人员参与了该设备的运作。针对LIGO所做的不断升级改造,终于让人类如愿以偿。
激光干涉引力波天文台主要部分是两个互相垂直的长臂,每个臂长4000米,并架有大量的反射镜。激光在反射镜中来回发射,就会形成干涉条纹,当有引力波穿过时,一个方向的空间便会被拉伸,而与之成一定角度的另一个方向的空间则会被压缩。出现这样的情况会导致反射镜发生细微角度的旋转,致使反射镜间的距离发生变化,也就是说,正是这些改变证明了引力波的存在。不过,这样的变化其实是非常细微的。当引力波来临时,即便是地球这样的庞然大物,它直径的变化也只会是一个原子那么大小而已,因此,探测器必须极其灵敏。
也许有人会猜想,究竟这次发现引力波是哪一处探测器的功劳。事实上,两个探测器都探测到了引力波,而且数据一致,因此结果非常可靠。
当然,科学家并没有因为发现了引力波就轻易满足,为了避免地面干扰,他们还准备将引力波探测引入空间时代。一个由美国宇航局和欧洲空间局联合承担的,名为激光干涉太空天线(Laser Interferometer Space Antennaa,LISA)的项目,已于2015年12月3日正是发射升空,这是人类第一座太空中的引力波天文台。
伴随着探测技术的发展,探测设备开始升入宇宙空间,寻找引力波的科学竞赛规模越来越大,参与者越来越多。
峰回路转的经历
尽管人类搜寻引力波的步伐从未停止,但在这条道路上,我们建造了太多的设备,走过了太多的弯路。
早在1916年,爱因斯坦在提出广义相对论时就预言了引力波的存在,同时他也认为引力波非常微弱,人类可能永远无法探测到它。探测引力波的难度确实非同一般,在2016年之前,广义相对论中预言的其他科学效应被科学家一个个检验出来,而引力波,至多只是发现了有关的蛛丝马迹。
1973年,科学家发现了一对双脉冲星——PSR1913+16,它们彼此靠得很近,相互绕转。科学家认为,它俩会越靠越近,最终融合在一起。实际观测证明,这对双星的引力波辐射导致了系统动能损失,进一步表现为双星轨道周期的逐渐减小,而减小的程度符合了科学家的理论计算,这间接证明了引力波的存在。
部队在经过探测器时,让它的频率在0.2秒内从35赫兹迅速增加到150赫兹,并在记录纸上留下了曲线。这个数据告诉我们,在短短的0.2秒内,黑洞的绕转速度从每秒35圈迅速提高到每秒150圈,这个速度也就是两个黑洞发生撞击前的最终速度。尽管地球周围已然恢复了平静,但GW150914的先头部队还在一往无前地奔跑着。也许在宇宙中,存在着仍然相对低等的生物,它们可能完全不知道宇宙中发生的这次大事件。也许,也有比人类更加智慧的生物,它们在两个黑洞开始绕转之初,就探测到了微弱的引力波,并推测出了最终撞击的时刻。也许和它们相比,人类的听力仍然差得可怜,但至少现在,我们已经能够听到来自宇宙的声音。
历史的轨迹告诉我们,每当有一扇新的窗口被人类打开时,都会伴随着至关重要的发现。虽然LIGO的探测能力还非常有限,但它已经为我们撬开了引力波世界的一小道缝隙。播种者在春天撒下种子的时候,经验会告诉他,丰收就在不久后的秋天。
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