为什么能通过引力波知道宇宙起源

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• 四十一度灰

  1916年，爱因斯坦发表了第一篇预示引力波的论文；2016年2月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）科学家宣布探测到引力波。这两座相隔100年的科学丰碑，见证了人类智慧的深邃和宇宙奥秘的玄妙。
  　　
  　　时空波动荡起“涟漪”
  　　
  　　何为引力波？LIGO科学组织成员、清华博士后胡一鸣介绍，广义相对论可用一句话概括：“时空告诉物质如何运动，物质引导时空如何弯曲。”当物质分布改变时，时空也会相应变化，这一变化以光速向四周传播，仿佛向平静的湖面丢下一粒石子，湖面会出现一圈圈波浪向外荡去。当宇宙中发生黑洞合并等“大质量”时，所产生的时空波动会像涟漪那样传开，这便是引力波。
  　　
  　　引力波在宇宙空间中传播，永远也不会衰减。正因为在传播中几乎不会衰减，人们已幻想未来用引力波通信。
  　　
  　　光学、上海理工庄松林院士表示，引力波通信等潜在应用还是很遥远的事，但如今，引力波探测的科学价值是显而易见的。黑洞等大质量天体合并、超新星爆发、100多亿年前的宇宙大……都有望通过被探测到的引力波去揭开宇宙起源和演变的奥秘。引力波天文学将是继电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后，人类认识宇宙的全新窗口。
  　　
  　　1秒内释放“3个太阳”
  　　
  　　由于引力波非常微弱，探测引力波很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。上世纪70年代，加州理工学院莱纳·魏斯等人提出了激光干涉方法。这种方法采用迈克耳孙干涉仪原理，让激光在反射镜中来回反射，形成干涉条纹。引力波传到地球后，会引起干涉条纹的位移。虽然位移距离极小，但探测灵敏度如果达到10的负21次方以下量级，就有望发现引力波。
  　　
  　　1991年，加州理工学院、麻省理工学院在美国科学基金会的资助下，开始联合建设LIGO。引力波探测器的主要部分是两条互相垂直的干涉臂，臂长均为4公里。两臂交会处，激光光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，并在那里发生干涉。若有引力波通过，便会引起时空变形，一臂的长度略微变长，另一臂的长度略微缩短，从而造成光程差变化，激光干涉条纹也会发生相应变化。
  　　
  　　经过2010年至2015年的升级改造，探测器灵敏度提高了10倍，达到10的负23次方，被称为“先进LIGO”。此次宣布探测到的引力波，其信号是去年9月14日捕获的。它来自13亿光年外，产生于两个黑洞的合并，合并时的一瞬间，有3个太阳质量的能量以引力波形式在不到1秒内释放。经过13亿年旅行，这圈“宇宙涟漪”被LIGO的两台探测器先后捕获。
  　　
  　　我宜先启动地面探测
  　　
  　　在引力波探测领域，虽然美国LIGO项目已捷足先登，但欧洲、、印度等多个和地区也都在开展激光干涉仪引力波探测项目。
  　　
  　　在我国，科学界在引力波探测领域有较大分歧。一派观点认为，地面上探测引力波的噪音太多，应率先在太空中探测，使我国在这一领域占据国际领先地位。另一派观点认为，鉴于目前的技术水平，很难在太空中建立非常稳定的干涉臂，我国应先启动地面探测项目。
  　　
  　　去年，中山发起“天琴计划”，提出分4个阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术，最终发射3颗地球高轨卫星进行引力波探测。庄松林认为，我国科技界的当务之急是启动国际主流的地面探测项目，以便尽快开展引力波天文学研究。
  　　
  　　引力波激起的一串问号
  　　
  　　引力波是一种声音吗？能不能实现科幻作品里的应用？“带走”3个太阳质量的引力波来了，要不要害怕？那么费劲探测爱因斯坦一百年前预言的引力波，到底为什么？
  　　
  　　引力波：声音或乐器？
  　　
  　　“我们愿意把它称为一种声音，但引力波并不是声音，”参与引力波研究的LIGO天文台的分析、加州理工学院物理系教授艾伦·魏因施泰解释说，声音以音速在空气中传播，而引力波则是以光速传播，可以在真空中传播。两者都是一种震动，但引力波是一种全新的震动方式。LIGO天文台将探测器连接到扩音器，从而“听到”引力波的声音。
  　　
  　　LIGO科学合作组织的研究成员、加州理工学院物理学教授陈雁北则指出，引力波也是一种机械振动，如同用非常大的能量，在宇宙中敲响了一面蒙皮紧绷的鼓。
  　　
  　　引力波袭来会怎样？
  　　
  　　陈雁北说，引力波携带的能量很大，但实际对物质产生的作用却十分微弱，这也是探测它很困难的原因。如果把引力波在地面附近的能量流单位时间和面积算一算，就会发现它不能挪动电荷，所以作用很微弱。如果某人站在引力波波源附近，而引力波向此人正面袭来，从理论上说人会变得矮胖，再抻长，再变矮胖……如此反复，但实际上在地面是很难探测到引力波的。
  　　
  　　引力波能让科幻成真？
  　　
  　　能否借助引力波实现星际航行、时空穿越或者星际通信呢？
  　　
  　　陈雁北说，引力波非常微弱，因此很难发射可以被接收和探测的引力波。从理论上讲，有可能向一个正在合并的双黑洞发射一个叠加的引力波，可望产生一种引力波放大效果，但实际上不太可能实现。此外，由于引力波本身造成的时空弯曲是很小的，所以借助引力波“穿越时空、回到过往”并不现实。
  　　
  　　魏因施泰说，引力波离应用阶段还很远。现在谈“借助引力波时空旅行”之类的科幻设想还为时太早，利用引力波的宇宙通信也只是一种微弱的可能。
  　　
  　　“天琴计划”如何借力？
  　　
  　　这项研究与中国的引力波探测工程“天琴计划”有何异同？陈雁北说，他希望“天琴计划”实现3个愿景。第一，测量引力波可借助不同的“窗口”。如果中国的空间引力波项目观测到大质量或超大质量的黑洞并合，将对人类理解宇宙演化起到非常重要的作用。
  　　
  　　其次，“天琴计划”可与LIGO天文台进行联合观测。比如，信号首先进入“天琴”的观测范围，随后抵达LIGO天文台，再次被观测，将使科学家对同一波源掌握更多信息。此外，将“天琴计划”作为发展空间技术的平台，促成不同领域科学家的合作，无疑对中方计划具有重要意义。

  浏览 316赞 66时间 2023-07-02
• 米苏and妮娜

  1916年，爱因斯坦发表了第一篇预示引力波的论文；2016年2月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）科学家宣布探测到引力波。这两座相隔100年的科学丰碑，见证了人类智慧的深邃和宇宙奥秘的玄妙。
  　　
  　　时空波动荡起“涟漪”
  　　
  　　何为引力波？LIGO科学组织成员、清华博士后胡一鸣介绍，广义相对论可用一句话概括：“时空告诉物质如何运动，物质引导时空如何弯曲。”当物质分布改变时，时空也会相应变化，这一变化以光速向四周传播，仿佛向平静的湖面丢下一粒石子，湖面会出现一圈圈波浪向外荡去。当宇宙中发生黑洞合并等“大质量”时，所产生的时空波动会像涟漪那样传开，这便是引力波。
  　　
  　　引力波在宇宙空间中传播，永远也不会衰减。正因为在传播中几乎不会衰减，人们已幻想未来用引力波通信。
  　　
  　　光学、上海理工庄松林院士表示，引力波通信等潜在应用还是很遥远的事，但如今，引力波探测的科学价值是显而易见的。黑洞等大质量天体合并、超新星爆发、100多亿年前的宇宙大……都有望通过被探测到的引力波去揭开宇宙起源和演变的奥秘。引力波天文学将是继电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后，人类认识宇宙的全新窗口。
  　　
  　　1秒内释放“3个太阳”
  　　
  　　由于引力波非常微弱，探测引力波很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。上世纪70年代，加州理工学院莱纳·魏斯等人提出了激光干涉方法。这种方法采用迈克耳孙干涉仪原理，让激光在反射镜中来回反射，形成干涉条纹。引力波传到地球后，会引起干涉条纹的位移。虽然位移距离极小，但探测灵敏度如果达到10的负21次方以下量级，就有望发现引力波。
  　　
  　　1991年，加州理工学院、麻省理工学院在美国科学基金会的资助下，开始联合建设LIGO。引力波探测器的主要部分是两条互相垂直的干涉臂，臂长均为4公里。两臂交会处，激光光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，并在那里发生干涉。若有引力波通过，便会引起时空变形，一臂的长度略微变长，另一臂的长度略微缩短，从而造成光程差变化，激光干涉条纹也会发生相应变化。
  　　
  　　经过2010年至2015年的升级改造，探测器灵敏度提高了10倍，达到10的负23次方，被称为“先进LIGO”。此次宣布探测到的引力波，其信号是去年9月14日捕获的。它来自13亿光年外，产生于两个黑洞的合并，合并时的一瞬间，有3个太阳质量的能量以引力波形式在不到1秒内释放。经过13亿年旅行，这圈“宇宙涟漪”被LIGO的两台探测器先后捕获。
  　　
  　　我宜先启动地面探测
  　　
  　　在引力波探测领域，虽然美国LIGO项目已捷足先登，但欧洲、、印度等多个和地区也都在开展激光干涉仪引力波探测项目。
  　　
  　　在我国，科学界在引力波探测领域有较大分歧。一派观点认为，地面上探测引力波的噪音太多，应率先在太空中探测，使我国在这一领域占据国际领先地位。另一派观点认为，鉴于目前的技术水平，很难在太空中建立非常稳定的干涉臂，我国应先启动地面探测项目。
  　　
  　　去年，中山发起“天琴计划”，提出分4个阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术，最终发射3颗地球高轨卫星进行引力波探测。庄松林认为，我国科技界的当务之急是启动国际主流的地面探测项目，以便尽快开展引力波天文学研究。
  　　
  　　引力波激起的一串问号
  　　
  　　引力波是一种声音吗？能不能实现科幻作品里的应用？“带走”3个太阳质量的引力波来了，要不要害怕？那么费劲探测爱因斯坦一百年前预言的引力波，到底为什么？
  　　
  　　引力波：声音或乐器？
  　　
  　　“我们愿意把它称为一种声音，但引力波并不是声音，”参与引力波研究的LIGO天文台的分析、加州理工学院物理系教授艾伦·魏因施泰解释说，声音以音速在空气中传播，而引力波则是以光速传播，可以在真空中传播。两者都是一种震动，但引力波是一种全新的震动方式。LIGO天文台将探测器连接到扩音器，从而“听到”引力波的声音。
  　　
  　　LIGO科学合作组织的研究成员、加州理工学院物理学教授陈雁北则指出，引力波也是一种机械振动，如同用非常大的能量，在宇宙中敲响了一面蒙皮紧绷的鼓。
  　　
  　　引力波袭来会怎样？
  　　
  　　陈雁北说，引力波携带的能量很大，但实际对物质产生的作用却十分微弱，这也是探测它很困难的原因。如果把引力波在地面附近的能量流单位时间和面积算一算，就会发现它不能挪动电荷，所以作用很微弱。如果某人站在引力波波源附近，而引力波向此人正面袭来，从理论上说人会变得矮胖，再抻长，再变矮胖……如此反复，但实际上在地面是很难探测到引力波的。
  　　
  　　引力波能让科幻成真？
  　　
  　　能否借助引力波实现星际航行、时空穿越或者星际通信呢？
  　　
  　　陈雁北说，引力波非常微弱，因此很难发射可以被接收和探测的引力波。从理论上讲，有可能向一个正在合并的双黑洞发射一个叠加的引力波，可望产生一种引力波放大效果，但实际上不太可能实现。此外，由于引力波本身造成的时空弯曲是很小的，所以借助引力波“穿越时空、回到过往”并不现实。
  　　
  　　魏因施泰说，引力波离应用阶段还很远。现在谈“借助引力波时空旅行”之类的科幻设想还为时太早，利用引力波的宇宙通信也只是一种微弱的可能。
  　　
  　　“天琴计划”如何借力？
  　　
  　　这项研究与中国的引力波探测工程“天琴计划”有何异同？陈雁北说，他希望“天琴计划”实现3个愿景。第一，测量引力波可借助不同的“窗口”。如果中国的空间引力波项目观测到大质量或超大质量的黑洞并合，将对人类理解宇宙演化起到非常重要的作用。
  　　
  　　其次，“天琴计划”可与LIGO天文台进行联合观测。比如，信号首先进入“天琴”的观测范围，随后抵达LIGO天文台，再次被观测，将使科学家对同一波源掌握更多信息。此外，将“天琴计划”作为发展空间技术的平台，促成不同领域科学家的合作，无疑对中方计划具有重要意义。

  浏览 377赞 130时间 2023-05-27