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LIGO发现引力波 验证爱因斯坦百年预言

2016年02月12日 07:54 来源于 财新网
引力波的发现,会进一步刺激各国的研究进度,中国本土研究的进展也会加快
计算机模拟产生强大引力波的黑洞图像。

  【财新网】(记者 崔筝 于达维)“女士们先生们,我们检测了引力波。我们做到了!”美东时间2016年2月11日10点30分(北京时间23点30分),美国激光干涉引力波天文台(LIGO)执行主任大卫•瑞兹宣布,科学家们寻找引力波的努力终于收获成果,此时,距离1916年爱因斯坦预言引力波存在刚好一百年。

  引力波是加速中的质量在时空中所产生的波动,也被比喻为时空的“涟漪”。阿尔伯特•爱因斯坦在1916年提出广义相对论,认为引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,其作用的形式就是引力波。

  世界科学界公认,引力波探测是难度最大的尖端科技之一,也是一项意义重大的物理学基础研究。作为爱因斯坦广义相对论中最重要但一直未被证实的预言,引力波是物理学王冠上最耀眼的一颗明珠,一旦探测成功,将是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。

  在华盛顿举行的新闻发布会上,LIGO宣布了数月间传言不断的关于引力波的大发现,印证了爱因斯坦的预言。

  大卫•瑞兹表示,正如望远镜开辟了现代观测天文学,引力波的发现,开辟了观测宇宙一扇新窗。

  时空的涟漪

  大热的科幻小说《三体》中,“引力波天线”曾经拯救了几乎快要被灭族的人类。而电影《星际穿越》中,男主角甚至通过引力波穿越时间和空间给女儿传递了信息。

  理论上,引力波在宇宙中无处不在,但非常微弱,只有像超新星爆发、中子星与黑洞等天体相撞,才会产生足够强烈的引力波。探测到引力波,是对广义相对论的实验验证。

  根据广义相对论,一对黑洞在相互绕转过程中通过引力波辐射而损失能量,逐渐靠近。这一过程持续数十亿年,在最后几分钟里面快速演化。在最后时刻,两个黑洞以几乎是一半光速的超高速度碰撞在一起,形成一个质量更大的黑洞。

  根据爱因斯坦的E=mc²公式,这个过程中一部分的质量转化成了能量,而这些能量在最后时刻以引力波超强爆发的形式辐射出去。

  五个月前,LIGO真实地捕捉到了这样的信号。世界协调时间2015年9月14日9:51(北京时间17:51分),位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的两个LIGO探测器探测到了引力波信号。

  研究者们这次检测到引力波,是由距离地球13亿光年之外的两个黑洞合并产生的。基于观测到的信号估算,两个黑洞的质量大约分别是太阳质量的29和36倍。13亿年前,大约三倍于太阳质量的物质在短短一秒之内被转化成引力波,其功率峰值是整个可见宇宙总功率的50倍,这一引力波首先到达列文斯顿探测器,7毫秒之后到达汉福德探测器,这意味着引力波源位于南半球天区。

  引力波竞赛

  除了科学家们多年不懈的努力,探测引力波的成功关键还是技术的提升。目前LIGO的探测设备已经升级,相比于第一代LIGO探测器,灵敏度大大增强,从而大大增加了可探测的宇宙空间,最终,在其第一次观测运行中就发现引力波。

  1992年,美国国家科学基金会(NSF)批准了建设LIGO的第一笔资金,这在当时是NSF有史以来最大的一笔投资。“虽然有很大的风险,但NSF决定要承担这样的风险,”NSF主任弗朗丝•岗多瓦(France Córdova)表示。

  LIGO天文台由美国国家科学基金资助,由加州理工学院和麻省理工学院构思、建造、运行。而最终证实发现引力波,是多国科学家协作的成果。LIGO科学合作组织包括GEO600组织、澳大利亚干涉引力天文协会等,意大利的Virgo项目也贡献了两台LIGO探测器的数据。最终,发表在物理评论快讯(Physical Review Letters)期刊,共有1004位作者。

  引力波存在的第一个证据发现于20世纪70年代,美国科学家罗素•赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫•泰勒(Joseph Taylor)在1974年观测到一个脉冲星与另一个中子星相互绕转组成的双星系统,由于辐射引力波,脉冲星的轨道缓慢地缩小,观测到的轨道变化率与相对论的预言高度一致。这项工作也让两位科学家获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

  除了LIGO之外,目前国际上的引力波探测计划还包括意法合作的VIRGO,英德合作的GEO600米,日本的TAMA300和LCGT工程。

  2000年,欧洲航天局曾宣布,将与美国合作共同实施“激光干涉空间天线(LISA)”计划,发射3颗卫星,组成一个边长为500万公里的巨大三角形,它们之间以激光束相连,在太空中进行观测。

  多年后,美国由于经费问题选择了退出,欧洲也出于节省经费的目的,推出了一个缩小版的ELISA计划,但原定2012年发射的第一颗实验卫星,已经被推迟到了2018年。

  在中国,上世纪70年代,引力波探测被杨振宁称为“投钱少,有重大科学意义”的研究领域,曾经在中国引起过热潮。

  上世纪七十年代中山大学引力物理研究室建设常温共振型引力波天线,其测量灵敏度为当时国际同类引力波天线的最高水平之一。1979年7月在意大利召开的第二届格拉斯曼广义相对论国际会议上,来自中山大学的陈嘉言教授,由于在引力波研究方面的贡献,被聘为会议顾问委员会委员。这是中国的引力波研究第一次被国际社会认可。

  然中国的引力波研究曾出现了十余年的中断。2008年,在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,中科院多个研究所及院外科研单位共同成立了科学院空间引力波探测工作组,开始探索中国空间引力波探测的可行性。这一项目被列入中科院空间科学2050年规划。

  “这个发现仅仅是人类探测引力波的开端,”中山大学天文与空间科学研究院院长李淼对财新记者表示,引力波从此从理论上的存在变成了事实上的存在。

  中山大学正在筹备的“天琴计划”也以引力波研究为中心,该计划将开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究。

  李淼介绍,中国目前在进行的引力波研究,主要还是胡文瑞等科学家将要参加的ELISA项目,而中国本土的的天琴项目还在进展中,还没能获得政府部门的立项,目前还不能确立未来的发展方向。

  欧洲的ELISA计划之前进展缓慢,很大程度上因为欧洲各国口径不一致,现在证实了引力波存在,ELISA探测进度会加快,李淼表示,引力波的发现,会进一步刺激各国的研究进度,世界各地的引力波研究计划将很快推进,中国本土研究的进展也会加快。

  “引力波的发现并不是一场竞赛,我们也没有竞争者,我们打开了一扇窗户,还希望通过更多科学家的共同努力,打开更多的探索宇宙之窗。”LIGO项目的发言人加布里埃拉•冈萨雷斯(Gabriela González)对财新记者表示。■

责任编辑:崔筝 | 版面编辑:王永
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