@ 2016.01.14 , 11:59

流言称人类或已探测到引力波

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被称为“时空涟漪”的引力波(gravitational waves,也有“重力波”的译法,以下统称引力波),被爱因斯坦根据广义相对论在一百年前的1916年预测存在。虽然近年来常有流言称人类已经发现引力波,但这一次的谣言显得特别靠谱,因为这次的骚动可是从激光干涉引力波天文台(LIGO)科学家 Lawrence M. Krauss 的推特上开始的:

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引力波的发现对于物理学,宇宙学和人类对宇宙的宏观理解将会有重大的意义,但如果你对上述的领域都不太了解,甚至可能一辈子都不会去试图弄明白时光涟漪是个什么玩意。

那么引力波到底是什么东西?为什么科学家们一直想要观测它?为什么我们要关心有没有引力波呢?

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简单地说,引力波就是时空表面上的光速震荡,它是由宇宙中的“大事件”引发的,例如恒星爆炸,黑洞合并或宇宙各个角落中的各种事。组成一切的原子,包括天体和地球上的人类,都会因为引力波而发生小幅的震荡。

其中小幅震荡的幅度是真的很小。与产生引力波所需要的巨大能量相比较,时空涟漪显得十分微弱。物理学家预测当引力波到达地球时它的数量级将大约在一个原子直径的十亿分之一。所以要测量这样的震荡,收线首先你需要几乎无限精确的测量仪器,其次你需要一个几乎完全没有干扰与噪音的环境,总之一句话,人类科技目前还没达到这个技术水平。

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但引力波观测技术最近也有了一些改变,科学家们对地面上最优秀的观测天文台 LIGO 做了改进,同时发射了第一艘引力波探测器 LISA Pathfinder。LISA 上配有两个科学实验室。物理学家希望我们能在2020年结束前观测到时间涟漪,但这一天或许比我们想象的还要早。

从原理上说,测量引力波其实很简单,但落实到实践上则难到几乎不可能完成。物理学家的策略就是测量宇宙中两个物体间距离中的微小波动,但我们所希望看到的原子内部的震荡实在是太微小了,所以我们需要进行可以将远距离中物体分开的实验,而就算是这样,物理学家的测量也需要相当精确。

这就是我们目前的引力波探测器背后的原理。LIGO 在2000年之后正式上线投入使用,科学家在华盛顿州的 Richland 和路易斯安那州的 Baton Rouge 分别悬挂两个镜面,形成第一个长臂;随后在前两个镜面垂直方向在放置两个镜面,形成两条互相锤子垂直的长臂。激光束由激光器发射并在镜面之间反射大约50次(维基百科),使等效臂长大大增加。

LIGO 在加州理工学院的网站上解释说,如果这两个长臂的长度完全相等,那么激光的光程按理说也是完全相等的。但如果存在引力波的干涉,就会出现干涉条纹,造成的光程上的偏差将会由光电探测器(photodetector)所探测到。

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当这个偏差发生时,会产生电子信号——这个电子信号究竟是不是引力波还要科学家们来说了算。一个问题是:地球的环境是很嘈杂的,各种噪音与干涉存在于这颗星球上,从地底的震动到路面上的汽车火车,其中任何一种都能形成这种电子信号。这些背景噪音加上我们探测器在距离和技术上的不足,为引力波探测造成了严重的限制。LIGO 的第一轮观测活动在2010年结束,并没有发现引力波存在的有力证据,有趣的是,为了让科学家们不闲下来,LIGO 的内部事务委员会特意制造了一个假信号

在接下来的5年里 LIGO 对探测器做了很多改进,截至去年9月,新的 LIGO 已经比最初的 LIGO 灵敏度高了3倍。在上一次的引力波捕获行动中 LIGO 最远能“监听”6500万光年,而现在则能达到2亿2千500万光年。科学家们期望能对 LIGO 继续进行改进,将灵敏度提升至最初的10倍。

今年也是引力波探测首次走向太空的一年。LISA Pathfinder 于去年12月2号发射,作为一个原理循证(proof-of-principle)实验它将对引力波探测技术进行测试。

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在太空中探测引力波有几个好处。首先太空的环境比地球“安静”很多,唯一的噪音源来自太阳风和宇宙辐射,而现有技术可以滤掉它们的干扰。但最重要的是,脱离了地球的束缚,探测器可以拉长探测的距离“广撒网”。

那么为什么发现引力波那么重要呢?除了证明爱因斯坦在广义相对论中的预测之外,引力波的存在可以证明宇宙中一些神秘的现象。LISA Pathfinder 的科学家 Bill Weber 上月表示引力波是研究宇宙中占大部分的暗物质,暗能量的最佳途径

要研究黑洞,中子星这样不发光的天体,在人类目前所处的位置上不是件容易的事,但如果说白矮星,中子星和黑洞像是黄油的话,引力波就是一把黄油刀,它为我们打开了一个窗口,看到我们以前完全无法想象的天体奇观。

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另外,作为宇宙中具有巨大能量的现象之一,引力波能够帮助我们理解重力式如何在极端环境下产生作用的。比如两个质量巨大的物体以接近光速的速度互相环绕运行时,人类对它们之间的引力作用知之甚少。

两天前的流言说,LIGO 可能探测到了引力波,但科学家还需要时间来确认。虽然 LIGO 方面对消息严防死守,但科学家与媒体对此事充满了希望。随着 LIGO 探测器的灵敏度不断提升,只要 LISA Pathfinder 进入第一拉格朗日点,引力波的探测工作就会顺利很多。在接下来的几周或者几个月内,我们或许就能从物理学家们那里得到正式的消息。

[keep_beating via Gizmodo]


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