為什麼引力波是今年的真正的"科學的突破"

Updated byBrian Resnick@B_resnickbrian@vox.comDec 22, 2016, 2:00pm EST

LIGO/T. Pyle

2016年一直是一個艱難的年。但在2016年中科學仍然是一個樂觀主義的來源。

為了解決一個科學的問題，你必須相信它是可解的。這使得科學發現天生樂觀的。發現幫助我們理解我們的世界------它的這個傷痕纍纍的、不完美的美麗的糟亂------只是稍微更好一點。科學中最大的突破，這不是環繞經常的，也打開有待回答的新問題的大門。

今年，我們有這樣一個的突破。

科學期刊今天寫道"引力波的發現已經改變了科學景觀"，宣稱它們是"年度突破"。今年2月，然後再在今年6月，物理學家宣布了他們聽到了的這個空時中的一個紋波的微妙隆隆聲，兩個黑洞彼此碰撞進另一個的結果。這些觀察證實了"引力波"的存在，這阿爾伯特·愛因斯坦100多年前就預測到了但直到今年從未實際記錄到過。這個波被兩個巨大的科學實驗撿起------一個在路易斯安那州和一個在華盛頓州------被稱為LIGO或激光干涉引力波天文台。

這個發現是巨大的，不只是因為它回答了一個100歲的問題。它是巨大的因為它推出了一個全新的科學分支。

現在，我們的望遠鏡只能看到發射電磁輻射的天體------可見光、x射線、γ射線等等。但一些天體，如碰撞的黑洞或大爆炸的冒煙的槍，不會發射任何電磁輻射。相反，它們發射引力。這就是為什麼有引力波天文學宇宙中的不可見天體可能很快會成為可見的的。

LIGO的嘉獎一直是豐富的︰幾天前，自然雜誌命名了這個項目的科學領導人之一伽布列拉岡薩雷斯為它的10名2016年"年度重要人物"之一。物理世界雜誌命名LIGO為今年的一個突破，外交政策雜誌把LIGO的科學家放在全球思想家的年終表中。（這個努力沒有獲得今年的諾貝爾獎，但在未來有一個好機會的）。

LIGO和引力波表明科學的進步仍在一個破碎的世界中有動量的。科學雜誌以這種方式總結了這個發現的重要性"一個新的科學的召喚"。

為什麼引力波重要的

正如聲波干擾空氣弄出聲響一樣，引力波好像它存在在一個哈哈鏡中一樣干擾空時的織造來推拉物質。如果一個引力波通過你，你會看到你的一個手臂比另一個變的更長。如果你在每個手腕上戴了一塊手錶，你會看到它們不同步滴答的。

由兩個此環繞運行的中子星產生的的引力波的二維表示。Wikimedia

引力波被任何質量的運動產生。一位密爾沃基的威斯康星大學的物理學家莎拉·考迪爾在6月告訴我，"例如，如果我真的瘋狂的揮動我的雙臂，我會產生引力波"。

但還沒有辦法來檢測那樣微弱的引力波。現在，我們的感測器需要一個真的，真的很大聲的聲源------像兩個黑洞碰撞一樣。

LIGO實驗室的理事長戴夫雷茲說，"就在現在我正沐浴在引力波中，你正沐浴在引力波中，為什麼我們的干涉儀[即探測器]不能感覺到它的原因是因為這些波的振幅------它們正在創建的信號的大小------是遠遠小於我們的探測器能夠檢測到的的"。

兩個黑洞碰撞釋放一個大聲的引力的雷霆一擊。但在它們14億年以後到達地球的時候，它們已經成為非常微弱的（像池塘的漣漪怎樣隨更遠離一個丟棄的石頭變的不那麼瘋狂一樣）。

(科學家使用聲音的隱喻，因為引力波的頻率是比較到我們聽的聲波的頻率的。)

一個聽到的LIGO波（約去年聖誕節）是約0.7阿托米（attometers）高的。一個阿托米是10 ^-18米。這比一個原子小得多。以下的GIF顯示始於一個原子寬度然後放大到10 ^-18米的。我們能夠聽到某些那樣小的東西是令人驚異的。

GIF

LIGO

LIGO，由國家自然科學基金資助，在路易斯安那州和華盛頓州操作兩個巨大的實驗。兩者都是巨型的L形管。每個管臂長度是2.5英里。

在實驗中，一個激光束在兩個臂之間被平分。在每個臂的末端是一面鏡子，它把這個激光反映回這個起始點。LIGO正在尋找的是引力波正在足夠扭曲空時一個臂之一使它變得暫時比另一隻臂更長的證據。

所有這一切花了幾十年的工作︰LIGO的測試理論是在20世紀初發展起來的、LIGO項目始於上世紀80年代，它第一次於2002年開機，並花了一個國際努力來聽並確認這些今年通過的波的來到的。現在它正在有一個重要的時刻，但它要顯示有深根的大突破，科學最終是一個協作的、數代人的努力。

我們能從引力波天文學學到其他什麼很酷的東西呢？

現在，LIGO不能指向天空中一個區域來尋找引力波的。相反，它只是在聽在任何特定時刻穿過地球的引力波。它目前的不做一個指出這些波正從哪裡來的偉大的工作。

這是在2015年12月26日那一天檢測到的引力波事件的近似位置。它是一個相當廣泛的天空面積。LIGO在一份新聞稿解釋:"彩色的線條代表這個信號發源地的不同概率︰外紫色線定義預計信度90%的這個信號來自的區域;內的黃線定義可信度水平10%的目標區域。"LIGO/Axel Mellinger

幸運的是，在未來的幾十年中世界上將有多達五個的探測器在線（以及一些基於空間的探測器）。下一步在線的是一個在義大利被稱為處女座的探測器，預計在2017年開始運行。有三個探測器，科學家們將能夠更好的指定這些波正在從天空中哪裡來。

這裡是下一時代的引力波天文學可以完成的一些很酷的事情。

1）進一步看回時間

我們當前的望遠鏡艦隊的一個問題是它們不能看回到宇宙形成的初期。

去年二月麥克馬斯特大學的粒子物理學家克里夫伯吉斯告訴我，"如果你用可見光看我們能在宇宙中看的最遠的，這個宇宙不再是透明的;它變得不透明的，幾乎沒有什麼對引力是不透明的。用LIGO，我們可以潛在的偵聽來自早期宇宙或者甚至大爆炸發放的引力波，獲得一個它如何形成的更好理解。

2)改善愛因斯坦的廣義相對論理論

一個世紀前，愛因斯坦發表了他的廣義相對論理論。並且自那以後它已經支配了我們理解引力。但物理學家（和愛因斯坦本人）很早就推測了這個理論並不完整，因為它不能與量子力學的法則玩的好的。引力波可以幫助物理學家把廣義相對論放到越來更難的測試來看失敗的地方。

考迪爾說，"我們發現了這些黑洞與100年前形成的愛因斯坦的他的理論是完全一致的，因此那很酷，但隨我們得到越來約多的檢測，我們能更深的探索他的理論，也許暴露它之中的洞"。

3）發現新的中子星

中子星是放出大量的引力的坍塌恆星的密度極高的核心。關於它們酷的是它們也產生光。考迪爾說，用LIGO"如果你能看到一個像中子星碰撞或一個黑洞和中子星碰撞一樣的事件"，你然後能把傳統的望遠鏡指向它們看這個燈展的。

4）學習對黑洞來環繞彼此是多麼常見的

在2月宣布前，沒有一個科學家已經有兩個黑洞可能彼此環繞的觀測到了的證明的。現在我們已經看到兩對它們在做它。引力波天文學會幫助我們了解在宇宙中多少這些成對存在的。

5）尋找暗物質的來源

暗物質在理論上構成宇宙中所有物質的27%。但我們從未見過暗物質（它是黑的！），並且我們不知道它從哪裡來。

物質創建引力。或許引力波能幫助我們跟蹤暗物質的來源。它可能以許多微小黑洞的形式存在。它可能是在宇宙之初創造的"太初"黑洞的遺留物。我們不知道。

6）尋找新的、奇異的天體

宇宙是一個大的、黑暗的地方。

哈佛大學的理論物理學家阿維·婁埃布說，"我們可能發現我們沒有預料到的引力源，那將是最令人興奮的"。

也許我們將發現"宇宙弦"的證據，空時中包含大量的能量的虛擬的怪異漣漪。發現這些奇怪的新天體的機會只隨著LIGO和它的來上線的同行的力量增加而增加。

雷茲說，它將會像"從簡單的伽利略望遠鏡到你放在山頂的望遠鏡的類型"一樣，未來的50年中，這正走向一個真的令人興奮的領域"。

http://www.vox.com/science-and-health/2016/12/22/14053036/gravitational-waves-breakthrough-year-science?yptr=yahoo