专栏首页大数据文摘【超重磅】人类首次探测到引力波,爱因斯坦百年预言被验证(附视频)

【超重磅】人类首次探测到引力波,爱因斯坦百年预言被验证(附视频)

素材来自:腾讯科技、新浪科技、新城商业等

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人类首次直接探测到了引力波

美国当地时间2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分),美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布:人类首次直接探测到了引力波!

这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达了地球,被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到。

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意义何在?

从观测宇宙角度来说,引力波将成为人类探索宇宙更为强大的工具。最初,人类通过眼睛来观测天相。之后,有了光学望远镜,我们能直接看到更远的星体,看的也更清楚。再后来,我们又有了射电望远镜,我们可以通过观测电磁波来研究我们根本看不见、远在亿万光年以外的宇宙。现在,我们或将掌握另外一种探索宇宙的全新工具:引力波。通过研究引力波,我们可以研究电磁波无法直接观测到的黑洞,以及占了宇宙质量95.1%的暗物质和暗能量。

引力波探测除了能够检验广义相对论之外,还有助于证明其它版本的引力理论正确与否,还将推动引力量子化的研究,最终把引力融入其它三种基本相互作用,完成爱因斯坦的伟大梦想。

另外,考虑到引力是目前我们所知道的唯一能够超越不同维度的力,或许,通过研究引力波,我们人类就能够掌握进入到另外一个时空的科技。时间旅行,或许不是幻想。

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什么是引力波?时空中的涟漪!

当爱因斯坦最早提出他的广义相对论的时候,他彻底革新了我们原先对于时间与空间的概念理解。我们此前一直认为空间是恒定而不变的,物质和能量存在于其中。但爱因斯坦的理论指出空间实际上与能量和质量之间都是相互联系的,并且随着时间推移空间也在发生变化。如果只存在一个质量物体,静止地存在于时空之中(或者处于匀速运动状态),那么它所处的时空不会发生变化。但如果你加入第二个质量物体,那么这两个物体之间就会发生相互运动,互相会向对方施加一个加速度,在这一过程中也就将造成时空结构的改变。更加重要的是,由于存在一个大质量粒子在引力场中运动,广义相对论指出这一大质量物体将会被加速,并释放一种特殊的辐射:引力辐射。

这种引力辐射与你所知的其他任何种类的辐射都不同。它会以光速穿越空间,但它本身又是空间中的涟漪。它从被加速的物体带走能量,这就意味着,如果这两个质量物体处于相互运行的轨道之中,那么随着时间推移这个轨道将会逐渐收缩,这两个质量物体之间的距离将逐渐缩短。不过不要太过担心,对于像地球围绕太阳运行这样一个系统,相对而言这两个天体的质量还太小,而两者之间的距离又非常巨大,因此在引力波耗散能量的条件下,这个轨道也将需要经过10的150次方年才会衰减崩溃,如此长的时间早已远远超过了宇宙的年龄,事实上这也远远超过了已知所有恒星的寿命!然而对于相互绕转的黑洞或中子星而言,它们之间存在的轨道衰减效应则已经被观测到了。

示意图:两个黑洞的合并过程及其对于背景星光的扭曲形变效果

科学家们认为宇宙中可能还存在着我们尚未探测到的更高能的事件,如黑洞的相互合并。这类事件应该会产生某种特征信号,而这样的信号是可以被“先进LIGO”系统捕捉到的。

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激光干涉引力波观测站LIGO介绍

LIGO(Laser InterferometerGravitational-Wave Observatory)是加州理工学院(Caltech)和麻省理工学院(MIT)的合作实验室,现在也有其他的大学参与。实验资金来源于美国国家科学基金会。LIGO是用来寻找宇宙中的引力波,从而可以验证黑洞的存在和检验广义相对论。在2002年至2010年之间的运行时期,LIGO设施验证了其设计概念的可行性,随后经历了长达5年的关闭升级。直到2015年9月份,升级后的该设施被重新启用并被称作“先进LIGO”。

LIGO设施工作原理图

从本质上而言,“先进LIGO”系统采用的探测手法是相当简单而直接的,它利用了引力波辐射的本性和它最重要的性质之一。引力波会造成空间的拉伸或压缩,其频率和强度取决于形成这种引力波的天文事件所具有的一系列特征,如两个相互绕转天体各自的质量大小、它们两者之间的间距以及这一系统距离地球的远近。“先进LIGO”设施包括两条互相垂直的长臂,长度均为4公里。将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束,然后两束激光分别被4公里外的反射镜反射回来并发生干涉,并且这样的反射可以来回进行多次,从而大大增加激光运行的路径长度。由于频率和波长完全一致,在正常情况下,这两束激光应该是完全相同的,但是如果存在引力波作用,则会对这两束激光的波长频率产生影响,从而导致两束激光在叠加的干涉条纹上出现改变。这样的改变将能够让科学家们判断两个绕转天体各自的质量大小、它们之间的间距以及这一系统到地球之间的距离等丰富的信息。

先进LIGO设施的引力波探测范围示意图

先进LIGO包括两处设施,分别位于美国西北部(华盛顿州)以及美国东南部(路易斯安那州)。如果这两处设施均观测到同样的信号,那么我们几乎就能够肯定我们的确是观测到了引力波信号了。目前版本的LIGO系统对于质量在1倍太阳质量到数百倍太阳之间之间的两个黑洞合并过程可能产生的引力波信号最为敏感,且其探测能力可以覆盖距离地球数百万光年之外——在这样一个巨大的空间范围内,符合条件的黑洞合并事件每年都会至少发生几次。

两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德(左)和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3000公里

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科普视频:引力波介绍及重大意义

视频内容

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原始发表时间:2016-02-12

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