引力波

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概念:


在物理學(xué)中,引力波指時空曲率中以波的形式從射源向外傳播的擾動,這種波會以引力輻射的形式傳遞能量。阿爾伯特·愛因斯坦根據(jù)廣義相對論,于1916年預(yù)言了引力波的存在。理論上可以被探測到的引力波射源包括由白矮星、中子星或黑洞組成的聯(lián)星系統(tǒng)。

引力波現(xiàn)象是廣義相對論的局域洛倫茲共變性的結(jié)果之一,因為它限制了相互作用的傳播速度。

成果:

科學(xué)家已通過各種間接方法發(fā)現(xiàn)了引力輻射的證據(jù)。

例如,拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒發(fā)現(xiàn)赫爾斯-泰勒脈沖雙星在互相公轉(zhuǎn)時逐漸靠近,這為引力輻射的存在提供了證據(jù);兩人因這項發(fā)現(xiàn)于1993年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。


科學(xué)家也利用引力波探測器來觀測引力波現(xiàn)象,如簡稱LIGO的激光干涉引力波天文臺。2014年3月17日,哈佛-史密松天體物理中心的天文學(xué)家宣布利用BICEP2探測器在宇宙微波背景中觀測到引力波的效應(yīng),但在后來的分析驗證中發(fā)現(xiàn)無法排除星際塵埃的可能。若后續(xù)實驗?zāi)艽_切得到引力波效應(yīng)的成果,將成為宇宙暴脹和大爆炸理論的強烈證據(jù)。

2016年2月11日,LIGO團隊于華盛頓舉行的一場記者會上共同宣布人類對于引力波的首個直接探測結(jié)果。所探測到的引力波來源于雙黑洞融合


為什么找到引力波如此重要?

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論,引力是由于質(zhì)量所引發(fā)的時空扭曲所造成,任何有質(zhì)量的物體加速運動都會對周圍的時空產(chǎn)生影響,其作用的形式就是引力波。雖然引力波無處不在,但是非常微弱,只有像超新星爆發(fā)、中子星與黑洞等天體相撞,才會產(chǎn)生足夠強烈的引力波。

從1919年科學(xué)家觀測到的水星近日點進動和日全食時星光在太陽引力場的彎曲,到后來的星系譜線紅移,廣義相對論得到了三次有力的證明。但是這三大證明,都是驗證了時空扭曲的現(xiàn)象。如果能夠捕捉到時空在引力波作用下發(fā)生扭曲的瞬間,將是對廣義相對論最嚴格的證明。

1969年,美國馬里蘭大學(xué)約瑟夫?韋伯(Joseph Weber)發(fā)表論文,報告他們建立在馬里蘭校園和相距千里的阿貢國家實驗室的鋁棒引力波檢測器同時接收到來自銀河中心的不排除為引力波的信號。消息傳來,震動了物理學(xué)界。

此后意大利、澳大利亞、美國,包括中國的科學(xué)家都相繼建造了類似的鋁棒探測器,有的采取了更復(fù)雜的減震、低溫、真空等措施排除干擾,但是這些探測器都沒有得到令人信服的證據(jù)。

作為愛因斯坦廣義相對論中最重要但一直未被證實的預(yù)言,引力波是物理學(xué)王冠上最耀眼的一顆明珠,如果探測成功,將是人類認知史上具有里程碑意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

激光干涉引力波天文臺( LIGO,Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory),是美國1995年開始建設(shè)的。他們希望通過觀測引力波對激光光束的改變,尋找引力波的蹤跡。這一計劃由麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院共同主持,全球有近800名科學(xué)家參與了這一計劃。

LIGO利用激光干涉探測引力波的原理,是將一束激光用分光鏡分成夾角為90度的兩束,然后兩束激光分別被4公里外的反射鏡反射回來并發(fā)生干涉。理想的情況下,回來的兩束光應(yīng)該是相同的,但是如果有引力波出現(xiàn),就會對這4公里的時空發(fā)生改變,導(dǎo)致兩束激光的細微差別,在干涉條紋上就會出現(xiàn)顯示出來。


研究引力波有啥用?

基礎(chǔ)研究的成果可能需要50年到100年才能應(yīng)用到老百姓的生活中,但如果不去研究,科學(xué)是無法進步的。

“廣義相對論剛提出來的時候,誰也不知道它有什么用,但現(xiàn)在日常生活中,它的運用非常廣泛,最直接的例子就是導(dǎo)航。根據(jù)廣義相對論,地面和衛(wèi)星所處高度的時間流逝是不一樣的,如果沒有把這個誤差計入,那么我們就會被導(dǎo)航到離目的地很遠的另一個地方。再比如,互聯(lián)網(wǎng)是為了解決歐洲大型粒子對撞機分享數(shù)據(jù)時的傳輸問題,才被科學(xué)家們發(fā)明出來的,并不直接出自應(yīng)用領(lǐng)域。”引力波的研究對測量地球礦藏及水資源分布等有非常重要的科學(xué)意義,此外還能極大地推動激光物理和航天技術(shù)等發(fā)展。

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