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是什么让引力波成为今晚万众瞩目的明星?

就在刚才,包括美国国家航空航天局(NASA)、南京紫金山天文台在内的全球数十家天文机构联合宣布重大消息:从约1.3亿光年外,科学家们首次探测到壮丽的双中子星并合产生的引力波,及其电磁对应体。换言之,这是第一次,人类不仅“听”到了引力波的声音,还“看”到了引力波的“光”。

1引力波是什么?

如果看过刘慈欣的《三体》,你应该对引力波不会太陌生。在小说里面,主人公威胁三体星人要将对方的坐标通过引力波发射装置散播出去,将对手暴露在未知面前,三体星人投鼠忌器,不得不和人类达成和谈。这个保护全人类的重要武器,就是引力波。试想如果真的存在三体星人,在他们到来之前人类还没有发现和熟练运用引力波,那人类就只能被消灭啦!如此看来,引力波还真的相当重要!那引力波究竟是什么呢?

引力波,是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。可以打个通俗的比方:我们把时空看成一张大的蹦床,如果往上面放一个铁球,它的质量就会把蹦床往下压,这就是时空扭曲。蹦床上的其他物体会在重力作用下向铁球的位置靠拢,仿佛受到了引力,而铁球放入蹦床的时候,蹦床表面会产生波动,向外传递能量,这就是引力波。

2引力波的发现历程

引力波的提出最早要追溯到1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。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:引力波。

但是引力波的产生需要很极端的条件,无法依靠人类活动产生实用的引力波,只能纯靠天文观测。将近一个世纪以来,无数物理学家和天文学家为此付出努力。

1974年,美国麻省大学的物理学家家泰勒(Joseph Taylor)教授和他的学生赫尔斯(Russell Hulse)发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统,在之后的30年时间里面他们持续观测发现,按广义相对论所预测的那样:周期变化率为每年减少76.5微秒,半长轴每年缩短3.5米。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据。为此,泰勒和赫尔斯荣获1993年诺贝尔物理学奖。

2016年2月11日,美国科研团队宣布,利用激光干涉引力波天文台(LIGO)探测器于2015年9月14日探测到来自于两个黑洞合并的引力波信号,据他们估计,这两个黑洞合并前后相当于3个太阳质量的能量以引力波的形式释放。这是人类首次发现引力波,三位美国科学家也毫无争议地获得了2017年诺贝尔物理学奖。

3引力波的发现意义?

引力波的发现,首先填补了广义相对论实验验证的最后一块缺失的拼图。过去近百年中,爱因斯坦广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有引力波因信号极其微弱,技术上很难测量,引力波的验证无疑是广义相对论一个完美的谢幕。

其次,这一发现打开了观测宇宙的一扇新窗户。在天文学几百年来的发展过程中,人们观测宇宙的主要手段是观测光。而根据标准宇宙大爆炸理论,大爆炸之后约40万年,宇宙处于晦暗的迷雾状态,光无法穿透。而引力波诞生在宇宙大爆炸之初并以光速传播。引力波被测量到,意味着人们可以将引力波作为另一种观测宇宙的手段,引力波天文学这门新学科的大门也由此打开。

第三,这一发现有助于真正理解宇宙大爆炸原初时刻的物理过程。根据上世纪80年代逐渐发展起来的暴涨理论,140亿年前,在大爆炸之后宇宙以指数速度急剧膨胀,而引力波忠实记录了暴涨时期的物理过程,很多关于大爆炸原初时刻的理论模型将会被排除。

第四,这一发现意味着对宇宙微波背景辐射的测量将会进入下一个重要里程碑。过去几十年中,人们测量微波背景辐射,其实主要测量的是温度场的信息,却一直没有测量到引力波的独特印记——B模式偏振。目前,全球多个小组在探测引力波,新发现无疑将极大鼓舞他们的士气,并促进有关国家进一步加大科研经费和人力资源投入。

4这一次发现为何万众瞩目?

然而,当我们回顾过去探索到的几次引力波事件,你会发现其实都是双黑洞并合。黑洞并合不会发射出电磁波,无法被直接“看”到,也可以理解成是“黑的”,但这一次双中子星并合产生的引力波是“会发光的”。

不难看出:

这一次的引力波,

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