美國路易斯安那州的激光干涉引力波天文臺。新華社發(fā) 《星際穿越》中的情景原來真的存在,利用引力波,不同維度的時空可以相互傳遞信息。當?shù)貢r間2月11日,加州理工學院、麻省理工學院以及“激光干涉引力波天文臺(LIGO)”的研究人員在華盛頓宣布探測到引力波。預言百年,苦尋幾十年,這是人類首次直接探測到引力波,也成為愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最后一塊缺失“拼圖”。 引力波來自兩黑洞碰撞 據(jù)了解,引力波如一種時空漣漪,類似石頭被丟進水里產生的波紋。黑洞、中子星等天體在碰撞過程中均產生引力波。此次研究人員直接探測到的引力波,就是來自于兩個黑洞的碰撞。 去年9月14日,研究人員利用LIGO探測器探測到兩個黑洞合并的引力波,也是首個位于地球之外13億光年的引力波源GW150914。據(jù)研究人員估計,兩個黑洞的質量分別相當于36個與29個太陽質量,合并后的總質量為62個太陽質量。也就是說,合并過程中,有3個太陽質量的能量以引力波的形式釋放。 清華大學團隊作出貢獻 清華大學昨日表示,作為中國大陸唯一LIGO科學合作組織成員,清華大學研究團隊作出貢獻。 2009年LSC(LIGO科學合作組織)接受清華大學為正式成員。據(jù)了解,研究團隊著重采用先進計算技術提高引力波數(shù)據(jù)分析的速度和效率,參與了LSC引力波暴和數(shù)據(jù)分析軟件等工作組相關研究。 華中科技大學物理學院教授、精密物理量測量教育部重點實驗室主任葉賢基表示,目前國內做引力波理論研究的比較多,做相關實驗的研究團隊比較少。這次發(fā)現(xiàn)相信會對國內引力波研究有很大的推動,相信更多的科學家會加入到實驗的隊伍當中。 ■ 釋疑 引力波是如何被探測到的? 在愛因斯坦預言引力波百年后,這是人類首次直接探測到引力波。根據(jù)愛因斯坦計算,引力波強度微弱,探測困難,但研究人員從未停止尋找。 據(jù)了解,此次探測,研究人員分別在美國兩州之間設置兩個間隔數(shù)千公里的探測器,呈L形排列。加上兩個天文臺使用完全相同的設備,研究人員認為兩者數(shù)據(jù)可以彼此驗證,排除偶然因素。 L形排列的測量臂長度為4公里,并垂直排列,兩端各有反射鏡面。研究人員表示,激光可在測量發(fā)射臂上來回反射,如果干涉條紋發(fā)生變化,可直接探測引力波存在。 2015年9月14日抵達地球的引力波信號,就是被剛改造升級的LIGO的兩個探測器,以7毫秒的時間差先后捕捉到。 探測到引力波意味著什么? 葉賢基表示,此次發(fā)現(xiàn)開啟了引力波天文學的時代。以前天文學只能借由電磁波進行觀測,但很多物質靠電磁波觀測是看不到的?,F(xiàn)在測到引力波之后,可以借由引力波觀測天體,比如黑洞、暗物質等,研究宇宙早期的結構和演化。 此外,它開啟了另外一扇窗,以前科學家只能用電磁波觀測的天體,比如以前對黑洞的觀測非常有限,而現(xiàn)在可以看到黑洞合并的過程,黑洞對整個宇宙的結構和演化扮演非常重要的角色。 ■ 背景 引力波宇宙中的“時空漣漪” 愛因斯坦發(fā)表于1915年的廣義相對論,與此次發(fā)現(xiàn)的引力波有什么關聯(lián)? 愛因斯坦將時空視為一種可以變形的介質,其廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動。廣義相對論認為,在非球對稱的物質分布情況下,物質運動,或物質體系的質量分布發(fā)生變化時,會產生引力波。引力波常被比做石頭丟進水中產生的波紋,如同宇宙中的“時空漣漪”。 在宇宙中,有時就會出現(xiàn)如致密星體碰撞并合這樣極其劇烈的天體物理過程。過程中的大質量天體劇烈運動擾動著周圍的時空,扭曲時空的引力波也在這個過程中以光速向外傳播出去。 ■ 對話 “從此可用這種新手段探索宇宙” 德國馬克斯-普朗克引力物理研究所、清華大學博士后胡一鳴,作為LIGO科學合作組織成員,參與了此次引力波的探測。昨日,仍在德國進行研究工作的胡一鳴在接受新京報記者采訪時表示,引力波的成功探測,意味著人類擁有了新的手段去探索宇宙。 新京報:參與探測引力波項目的感受如何? 胡一鳴:能夠見證歷史,并參與到其中,我感到非常榮幸。 新京報:LIGO科學合作組織的此次探測,都經過了哪些考驗? 胡一鳴:LIGO科學合作組織為了這次探測,從材料、鍍膜、隔震、激光、真空,再到超級計算機、數(shù)值相對論、快速信號處理、數(shù)據(jù)分析、快速空間定位、參數(shù)估計,每一步都包含了科研人員的辛勤與付出。 新京報:為何引力波信號被探測到半年才得到確認,中間經過了哪些過程? 胡一鳴:去年9月14日引力波信號到達后3分鐘,就被程序發(fā)現(xiàn),但是因為那個時候還沒有正式開始觀測,等大家回過神來發(fā)現(xiàn)這次探測時,已經是半小時以后了。盡管如此,我們內部恪守規(guī)則,在沒有萬分的把握之前,嚴禁任何成員向任何組織外的個人透露消息。 LIGO科學合作組織非常的嚴謹。只有當你握有強有力的證據(jù),你才可以做出超出常人想象的論斷。此次我們所公布的每一句話,每一個數(shù)字,背后都是大量的討論以及反復的計算和確認。可以說是兩句三年得,一吟雙淚流。 新京報:成功探測引力波后,未來的研究方向是什么? 胡一鳴:引力波的成功探測,意味著一個世紀的努力到達終點,更意味著一個新的研究領域的誕生。我們從此可以用這種新的手段探索宇宙,用前所未有的方式理解以前無法很清楚地理解的現(xiàn)象,比如超新星爆發(fā)具體過程、中子星內部結構等。這些對傳統(tǒng)的電磁波天文學來說極具挑戰(zhàn)的課題,有望通過引力波的研究變得觸手可及。 不過就引力理論,和時空的理解方面,此次探測與愛因斯坦一個世紀前所創(chuàng)立的廣義相對論高度吻合,所以很難從這次探測帶來太多關于時空本質的深層次的突破。但我們也不能排除這種可能性:在未來的某一天,我們探測到了更為極端的引力波信號,在極端的物理條件下,廣義相對論有可能會出現(xiàn)與觀測事實的偏差,到那時,出現(xiàn)一個顛覆性的理論,革新人類對時空的理解,也未可知。 |
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