美科學家宣布已直接探測到引力波 愛因斯坦廣義相對論最後預言獲證

「 如果我們能夠把這一消息告訴給愛因斯坦,那麼他的表情一定會很好玩。」

——LIGO項目共同創始人、麻省理工大學教授賴納·韋斯

「引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。(人類)探測到引力波的這種能力,很有可能引發天文學革命。」

——英國著名理論物理學家斯蒂芬·霍金

據新華社電 美國科學家11日宣布,美國「激光干涉引力波天文台」(LIGO)於2015年9月14日第一次直接探測到引力波的存在。引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」,它的發現是物理學界里程碑式的重大成果。

什麼是引力波?

天體碰撞使引力的作用以波動形式傳播

先來認識下引力。它無處不在,主導了宇宙和星系。引力是人類最早定量認識的相互作用。牛頓發現引力後的幾百年,物理學進展很多。

儘管牛頓的萬有引力定律有著幾乎完美的實驗驗證,但觀念上把時間和空間分開考慮。而1915年愛因斯坦提出的廣義相對論,進一步研究了引力和「時空幾何」的關係,認識到引力是一種非常特殊的相互作用。這革新了牛頓的引力觀念和時空觀念。

廣義相對論論證的一個重點就是,引力的本質是時空幾何在物質影響下的彎曲。1916年,愛因斯坦又在廣義相對論框架下發表論文,論證了引力的作用以波動的形式傳播。這就是引力波的由來。

引力波是一種時空漣漪,如同石頭被丟進水裡產生的波紋。黑洞、中子星等天體在碰撞過程中有可能產生引力波。100年前,愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。廣義相對論的其他預言如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實,唯有引力波一直徘徊在科學家的「視線」之外。

為何一直探測不到?

引力波產生的效應很小,易被干擾

眼見為實,人類只相信真實探測到的。遺憾的是,人類百年來一直不能探測到引力波的存在。為什麼?

由於引力波產生的效應很小,如果不主動去除外界干擾,不可能從「背景波動」中分辨出引力波信號。地震波、火車雜訊、觀測設備本身的極微小活動等都會構成干擾。

愛因斯坦雖然預言引力波存在,但也曾認為,由於引力波太過微弱,它無法被探測到。

上世紀70年代,曾有美國科學家在觀測雙星系統的過程中,發現引力波存在的間接證據,並因此獲得1993年諾貝爾物理學獎。

可是,技術是飛速發展的。一些剛升級的探測器也許能讓物理學家一「睹」引力波的真面目,其中之一便是「激光干涉引力波天文台」。這個位於美國路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市之間數公里長的觀測設施已於幾個月前完成改造工作,其探測靈敏度比5年前提高了10倍。

這是一個什麼樣的引力波?

3個太陽質量的能量1秒鐘內釋放 經過13億年的時間才抵達地球

在將於《物理學評論通訊》雜誌發表的新研究中,科學家探測到的是由黑洞合併產生的一個時間極短的引力波信號——在一片嘈雜的背景噪音中,一聲「噗」的清脆聲響,如水滴落水,持續時間短暫得不到1秒。它經過13億年的漫長旅行,於2015年9月14日抵達地球,被剛改造升級的LIGO的兩個探測器以7毫秒的時間差先後捕捉到。

據研究人員估計,兩個黑洞合併前的質量分別相當於36個和29個太陽質量,合併後的總質量是62個太陽質量,3個太陽質量的能量以引力波的形式在不到1秒的時間內釋放,釋放的峰值能量比整個可見宇宙釋放的能量還要高出約50倍。

為何發現幾個月後才宣布?

避免鬧烏龍,研究者需要進行大量數據驗證

但科學家也怕鬧烏龍,因此需要各方面的論證來證明這確定無疑是引力波。因為在LIGO的正式運行中,有研究團隊會做「盲注」操作,就是偷偷加入一些模擬的引力波信號,讓其他研究者在不知有信號注入的情況下客觀檢驗探測的準確性。「盲注」也是讓人不敢輕信此次引力波信號的原因。

在獲悉沒有研究人員進行盲注試驗後,疑似靠譜的引力波信號讓LIGO科學合作組織的1000多名科研人員忙壞了,在全球分布的多個超級計算機開足馬力,進行大量數據驗證。

最終,翻來覆去把大量數據分析了多遍之後,科研人員「說服」了自己,並向全世界宣布了研究結果。

全球10多個國家超過1000名科學家為此作出了貢獻,其中也包括了中國清華大學的科研團隊。

發現引力波有何意義?

將從全新的「聽」的角度進行天文觀測

南非誇祖魯-納塔爾大學的引力波研究專家馬寅哲說,天文學的發現幾百年以來主要靠電磁光譜的測量,射電、光學、紅外、X射線等天文觀測手段均是在收集光,靠「看」觀測宇宙。引力波的發現則將從「聽」這一完全不同的角度進行天文觀測,引力波天文學這一學科的大門徹底被打開。引力波將成為探測黑洞質量、測量宇宙距離等基本問題的新窗口。

(原標題：美科學家宣布已直接探測到引力波 愛因斯坦廣義相對論最後預言獲證)

本文來源：金羊網-新快報 責任編輯：黃歡_NN1650
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