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引力波天文学

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引力波天文学

“天空和以前不同了,想象你可以触摸,可以闻,可以尝,可以看——然后有一天,你也听得到了。”
  来自意大利帕多瓦的物理学家马尔科·德拉戈(Marco Drago)回忆起2015年9月14日的那个早晨,他在位于德国汉诺威的马克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute)的办公室里收到那封来自激光干涉引力波天文台(LIGO)的系统自动提示邮件,或许仍然会感到激动不已。这个被最终确认的引力波探测信号为人类持续了将近100年的对广义相对论的实验验证画上了句号,而毫无准备的博士后德拉戈则成为世界上第一个发现引力波信号的人。虽然工作的方式和意义都有所不同,但也许日后人们会把他同英国物理学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)联系在一起,这两个人分别为人类实验检验广义相对论的故事书写了开头和结尾。另一个故事则刚刚开始。第一次直接探测到了引力波的存在,这为人类的宇宙探测打开了另一扇窗户。“天空和以前不同了……你也听得到了。”来自哥伦比亚大学和LIGO团队的物理学家索博尔奇·马尔卡(Szabolcs Márka)这样描述探测到引力波信号对于人类天文学研究的意义。可以说,引力波是来自宇宙深处最细微、也最清晰的声音,从此以后,引力波天文学将成为人类天文学研究的重要组成部分。2016年的情形与1919年时已经大有不同。当年爱丁顿为了验证广义相对论关于光线受到引力场的作用会发生弯曲的预测远赴西非观测日食,几乎可以算作是一个带有个人英雄主义和国际主义色彩的传奇故事。在第一次世界大战刚刚结束之后,一个英国科学家不远万里去验证一个德裔犹太科学家的理论,而发回的结果让全世界震惊,宇宙在一夜之间改变了面孔。到了21世纪,人们仍然在寻找着验证广义相对论最深刻也是最为虚无缥缈的预言的证据,但此时在物理学界几乎已经没有人怀疑广义相对论的正确性,这次进行探测的仪器是人类工程学成就的结晶——激光干涉引力波天文台。几十亿美元的投资,经过数十年时间的计划、建造和升级之后,激光在激光干涉引力波天文台相互垂直的长达4公里的长臂中被反复反射,探测时空中不到一个质子直径长度的震荡变化,有超过1000位遍布世界各地的科学家为这个天文台工作,因此最先发现引力波信号的科学家并不在探测装置所在的美国,而是在德国的办公室电脑前等待系统提交的自动检测结果。
  这两个故事的相同之处在于对广义相对论的两次实验验证都引起了全世界范围的轰动,无论是否理解相对论,人们都在兴致勃勃地谈论着宇宙,暂时把目光投向了星空,人们谈论着这个与自己日常生活经验完全不同的宇宙,为自己身在其中而感到迷惑和兴奋。一个用几何语言描述的玄而又玄的物理学理论,跨越了100年的时间,两次成为全世界的焦点,改变了人类对宇宙的认识,这是爱因斯坦留给人类的遗产,而这份遗产最重要的意义,现在才刚刚开始展现出来。一件作品被完成之后,在某种意义上就脱离作者而独立存在,拥有了自身的生命力,广义相对论就是如此。作为广义相对论的作者,爱因斯坦对它的意义的理解可能不及其他一些物理学家深刻,他对由广义相对论得出的一些结果并不信服——他一生都不相信黑洞真正存在,在很长一段时间里都认为引力波只是不同数学形式的变换而已,并不真正存在[直到发表广义相对论20年以后,爱因斯坦被美国物理学家罗伯特逊说服,才开始相信引力波是真实存在的,但他仍然不相信人类有可能真正探测到这种时空中极其微弱的波动。而和爱因斯坦共同工作多年、共同研究广义相对论的物理学家纳森·罗森(Nathan Rosen)则始终都不相信引力波的真实性]。这样说来,人类在2015年9月因为13亿年以前两个黑洞的合并,通过激光干涉探测到引力波的存在的直接证据,具有多重的意义——别忘了,爱因斯坦同样也是激光理论的奠基人。
  尽管在物理学领域已经几乎没有人质疑广义相对论的正确性,但直接探测到引力波信号仍然会让很多物理学家暗中松一口气,毕竟人类宇宙学的诞生和发展是建立在广义相对论的基础之上的。探测到引力波,是对广义相对论最严苛的证明,人们现在可以确信,即使是在引力场最强大的黑洞附近,时空的几何特性仍然遵守爱因斯坦由黎曼几何推导出的广义相对论的约束,人类探索宇宙的理论工具依然正确。至此,100年来人类通过广义相对论对宇宙的特性做出的预测全部通过了验证,可以说,广义相对论是人类文明最伟大的财富。探测到引力波的意义远不止于验证广义相对论,这个发现本身就算得上是人类对于自身工程学成果的一次检验和庆祝。在地球上发现时空相当于不到一个质子直径长度的变化,这样的探测精度在爱因斯坦看来是遥不可及的,却在几十年后成为现实。位于美国路易斯安那州和华盛顿州的两个LIGO探测器,可以“听到”岸边海浪对海岸的每一次敲打,飞机在上空飞过时发出的扰动,树林里树木倒下时产生的震动,甚至是洗衣机在附近工作时产生的震动,最终“听到”了13亿年前两个黑洞碰撞的“声音”。这两个探测器是人类聆听宇宙的耳朵,而且在不远的将来,越来越多这样的耳朵将会出现在地球的地面、地下和太空中。
  因为包括电磁波在内的一切物质都无法逃出黑洞的引力场,人们永远都没法“看到”黑洞的存在,此前人类关于黑洞的一切证据都只是间接证据,天文学家可以观测到黑洞周围被它的引力场所加热的气体,也可以观察与黑洞相互环绕运转的恒星来推测黑洞的存在。如果没法“看到”,或许可以“听到”,引力波是本文由手机论文网http://m.lw54.com收集整理人类目前对黑洞进行直接探测的唯一方法,科学家们喜欢把引力波和声波进行类比,利用先进激光干涉引力波天文台(aLIGO)人类听到了黑洞碰撞合并时发出的声音。aLIGO探测到的两个黑洞相撞发射引力波频率,恰好在人类听觉的频率范围以内,因此物理学家们可以直接把引力波探测信号转化为声音信号,这样人们对于引力波就可以有更直观的感受。 转载请注明来源。原文地址:http://m.lw54.com/20160729/6249851.html