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曹軍威:宇宙天籟——引力波(4)

摘要:引力波的直接探測,震驚全球,無疑是本世紀(jì)迄今為止,在天文學(xué)領(lǐng)域最具里程碑意義的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一,就像望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明或太空無線電波的發(fā)現(xiàn)一樣。發(fā)現(xiàn)引力波的意義,不僅是驗證廣義相對論,更對天文探測起著無比重要的作用。比如,之前,幾乎沒有人會相信第一個探測到的引力波信號會是雙黑洞并合,而且是質(zhì)量如此之大的黑洞雙星。通過這一次觀測,科學(xué)家知道了數(shù)十倍太陽質(zhì)量的黑洞是可以存在的。這一切,都無法通過傳統(tǒng)的電磁波天文學(xué)得到,因此,引力波天文學(xué)將成為21世紀(jì)的天文學(xué)。

它是一個客觀存在的場,而且是可以攜帶能量的,我想把這樣的概念給大家建立起來。時空是相對的話,唯有一個是絕對不變的,那就是光速。如果需要測量時空的相對性,只能以絕對不變的光為媒介。探測引力波,要使用的就是激光干涉的方法,以光為媒介去測量時空相對性微小的變化,這個后面會講到。

引力波很難探測是因為影響非常小,小到什么程度?是十的負(fù)十八次方米這么大。所以,愛因斯坦當(dāng)年在算出來這個引力波后,他說人類是不可能探測到引力波的。我們講十的負(fù)十八次方是個什么概念,頭發(fā)絲的直徑是十的負(fù)六次方米,再細(xì)一萬倍,就變成了氫原子的直徑——十的負(fù)十次方,氫原子再縮小十萬倍,質(zhì)子的直徑是十的負(fù)十五次方米,千分之一質(zhì)子的直徑,十的負(fù)十八次方米。

只有在黑洞極端運動的物理條件下,它才能產(chǎn)生巨大的能量交換,但是所產(chǎn)生的引力波真正到達(dá)地球以后,人類所能探測到的尺度也是非常小的。引力波所引起的變化,是跟距離成正比的。引力波引起距離的變化越遠(yuǎn),引力波引起的距離變化就越大。

剛才講1915年人類預(yù)測了引力波存在,但是真正探測引力波,是從上世紀(jì)60年代開始的。1993年的諾貝爾物理學(xué)獎,就是獎給了探測引力波的間接證據(jù)。這個間接的證據(jù)是什么呢?就是對于一個脈沖星的雙星系統(tǒng),比如,質(zhì)量較小的中子星,中子星的好處就是它也是相互環(huán)繞運行,但是它離地球較近,我們可以用望遠(yuǎn)鏡,或其他手段來探測,雖然還不能直接探測到它所釋放出來的引力波,但是可以測量出來,兩個中子星之間相互環(huán)繞旋近的過程,它的曲率越來越小。從1973年開始的二三十年的時間里,一直在量測兩個現(xiàn)有的,我們能夠觀測到的脈沖星的雙星系統(tǒng)。我們觀測到這樣一個半徑,這個半徑的變化是曲率越來越小。另外我們用愛因斯坦廣義相對論來理論上來計算這個衰減的話,和我們量測到的實際發(fā)生的曲率正好擬合得非常好,所以,這是一個引力波存在的間接證據(jù)。

到了2016年,我們直接探測到引力波所引起的時空彎曲的變化,同時還直接看到了它的波形,這個波形就是引力波導(dǎo)致時空變化的動態(tài)過程。所以,從定量的程度來講,這次的直接探測比起以往的間接證據(jù)更有說服力。從定量分析的角度來講,這次的探測結(jié)果是非常完美的。

之前跟大家講了,引力波探測非常難,因為引力波非常小,而且它是相對的時空彎曲,必須通過光來探測,另外就是距離越長,我們能夠探測到引力波的變化就越容易。那基于這幾點,我們實際上構(gòu)建了一個激光干涉的原理。這就是為什么引力波天文臺的臂會很長?一個臂就有四公里長,因為剛才講的,臂越長,探測到引力波信號所導(dǎo)致時空的變化就會越大,就越容易探測到。那這樣的天文臺不僅僅是一個,人類建了兩個,它們的距離是三千公里。從1991年和1992年開始建設(shè),歷經(jīng)了20多年,那這20多年人類科學(xué)家又做了什么呢?除了這個基礎(chǔ)的建設(shè)以外,就是不斷地去調(diào)試激光干涉儀,提高靈敏度。直到2016年的9月初的時候,我們的引力波天文臺才調(diào)到了真正能夠探測到引力波的精度。我們達(dá)到這個精度的一周時間,就拿到了非常強的引力波的信號。我們這次探測到的引力波是13億光年遠(yuǎn)的雙黑洞合并時發(fā)出的,傳遞到地球,用了13光億年。

責(zé)任編輯:李天翼校對:葉其英最后修改:
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