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为什么发现引力波是真正的“年度科学突破”?

2020-07-21

导语:美国《科学》杂志近日公布了其评选的2016年十大科学突破,有“时空涟漪”之称的引力波被发现当选2016年头号突破。

2016年是多灾多难的一年。然而,2016年的科学研究却是人们乐观情绪的一个来源。

为了解决一个科学问题,你必须相信它是可以被解决的,这使得科学发现拥有了内在的乐观精神。

这些发现能够帮助我们更好地了解自己的世界——它伤痕累累、布满瑕疵,却又美得惊人——而并不常见的重大科学突破也为我们打开了新的认知大门。

2016年,我们迎来了一个这样的突破。

“引力波的发现改变了科学的景观。”《科学》杂志在其评选的2016年十大科学突破中,将有“时空涟漪”之称的引力波被发现评选为“本年度头号突破”。

在2016年的2月和6月,物理学家两度宣布,他们侦听到时空涟漪发出的微弱“声音”,那些涟漪是由两个黑洞碰撞合并造成的。

这些观测结果证实了“引力波”的存在,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)曾在100多年前预言过它们,但在2016年以前,物理学家从未真正探测到引力波。

侦听到引力波的仪器名为LIGO,即激光干涉引力波天文台,它由位于路易斯安那州和华盛顿州的两个大型科学实验项目组成。

这一发现意义重大,不仅仅是因为它回答了一个有100年历史的问题,更因为它开辟了科学的一个全新分支。

目前,我们的天文望远镜只能观测到释放电磁辐射(可见光、X射线以及γ射线等等)的天体。但是,有些天体(比如相互碰撞的黑洞或者是宇宙大爆炸的确凿证据)却不会发出任何电磁辐射。相反,它们释放的是引力。

这就可以解释,为什么有了引力波天文学之后,我们将可能很快观测到宇宙中曾经不可见的天体。

LIGO已经获得了非常多的荣誉:英国《自然》杂志将该科研项目的领导者之一加布里埃拉·冈萨雷斯(Gabriela Gonzales)评为2016年度十大“重要人物”;《物理世界》杂志(Physics World)将LIGO评为“年度突破”;《外交政策》杂志(Foreign Policy)则把LIGO科学家列入年度“全球顶尖思想家”的名单。(LIGO科学家没有拿到2016年的诺贝尔奖,但未来很有可能问鼎。)

LIGO和引力波向世人展示,在一个支离破碎的世界里,科学进步仍然拥有强大的势头。 《科学》杂志这样总结发现引力波的重要性:“一门新的科学在向我们招手。”

为什么引力波很重要? 

就像声波扰动空气来发出声音,引力波会扰动时空结构对物质造成拉伸和挤压作用,类似于照哈哈镜。

如果引力波穿过了你,你的一只手臂会变得比另一只更长;如果你在两个手腕上戴上时间一致的手表,那么引力波穿过这两只手表的时间也不会同步。

两颗中子星相互绕转所产生引力波的二维示意图。

任何有质量的物体加速运动都会产生引力波。“举例来说,如果我非常用力地挥动手臂,我就能产生出引力波。”威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家莎拉·考迪尔(Sarah Caudill)说道。

不过,我们没有办法检测到那么微弱的引力波。就目前来说,我们的传感器需要非常非常“响亮”的信号源,比如两个黑洞的碰撞。

“此刻我就沐浴在引力波当中,你也沐浴在引力波当中,”LIGO实验室的执行主任大卫·莱兹(Dave Reitze)说,“我们的干涉仪(即探测器)检测不到它,其原因在于,那些波的振幅——即它们所制造信号的强度——远远低于我们探测器所能检测的范围。”

两个黑洞碰撞会释放出“响亮”*的引力惊雷,但等到引力波在14亿年后抵达地球时,它们已经变得非常微弱(就像一块石头丢进池塘里,引起的涟漪会随着扩散距离越来越大而逐渐变得微弱)。

LIGO(在去年圣诞节期间)侦听到了一阵引力波,它的振幅约为0.7阿米。1阿米合10^-18米,比原子还要小。

下面的GIF动画一开始展示了一个原子的宽度,然后逐渐放大至10^-18阿米。人类能够探测到如此微小的物理现象,这实在令人惊奇。

LIGO由美国国家科学基金会(National Science Foundation)提供资金支持,该科研项目在路易斯安那州和华盛顿州开展了两个大型实验。两处实验的仪器都是巨型的L型真空管,每条管臂都长达2.5英里。

在实验过程中,科学家会把一束激光均分射入两条真空管。管道的末端是一面镜子,它会把激光反射到起点。LIGO实验的目的是找到证据,证明引力波会对时空造成足够大的干扰,致使一条管臂暂时变得比另一条更长。

这一切让科学家付出了数十年的努力:LIGO要验证的理论是在上世纪20年代初被提出来的;LIGO项目在上世纪80年代开始建设,并于2002年首次开机;LIGO在2016年成功侦听引力波并获得确认则是科学家跨国合作的成果。

LIGO现在迎来了一个重要的时刻,但它也映衬出重大的突破需要极深的根基,而科学研究归根结底是一种跨越世代的协作性努力。

引力波天文学还能让我们了解哪些很酷的事情?

目前,科学家无法让LIGO对着天空的一片区域来寻找引力波。相反,它只是侦听那些在特定时刻穿过地球的引力波。而且,现在的LIGO还不能很好地定位那些引力波的信号源。

上图是科学家于2015年12月26日侦听到的引力波事件所在的大致位置,它在天空中是一片相当广阔的区域。LIGO科学家在一份新闻稿中解释说:“彩线区域代表了信号源所在位置的不同概率:引力波信号源位于最外层紫线区域的概率是90%;而落在最内层黄色区域的概率只有10%。

幸运的是,在未来数十年,全世界将启用多达5台引力波探测器(还有一些会被放置在太空当中)。下一个亮相的探测器是意大利的VIRGO,它定于在2017年开始工作。有了3台探测器之后,科学家将能更好地在天空中找到引力波的信号源。

以下是未来引力波天文学能够实现的一些很酷事情。

1)更进一步回望早期宇宙

我们目前使用的天文望远镜存在一个问题:它们无法观测到非常早期的宇宙。

“如果我们凭借可见光去观测宇宙,那么到了极限,宇宙就不再是透明的了;它会变得不透明。”麦克马斯特大学的粒子物理学家里夫·伯吉斯(Cliff Burgess)说道,“对引力来说,几乎没有什么东西是不透明的。”

有了LIGO,我们有可能侦听到来自早期宇宙乃至大爆炸所产生的引力波,并更好地理解宇宙是如何形成的。

2)对爱因斯坦的广义相对论加以改进

一个世纪前,爱因斯坦发表了他的广义相对论。自那以后,这套理论就主导了我们对引力的理解。然而,包括爱因斯坦本人在内的物理学家早就猜测,广义相对论是不完整的,因为它跟量子力学的定律格格不入。

引力波可以帮助物理学家对广义相对论进行更加严格的测试,从而发现它在哪些地方是不成立的。

“我们已经发现,黑洞完全符合爱因斯坦在100年前提出的理论。”考迪尔说,“所以,那很酷。不过,随着我们进行越来越多的探测,我们可以更深入地探查他的理论,或许还能在其中找到漏洞。”

3)发现新的中子星

中子星是恒星坍缩形成的致密核心,它能释放出巨大的引力。而且,一件很酷的事情是,中子星也能产生光。考迪尔表示,如果你能(通过LIGO)侦听到诸如中子星碰撞或黑洞和中子星碰撞的天文事件,那么你接着就可以用传统的天文望远镜指向它们,观看宇宙灯光秀。

4)了解黑洞相互绕转有多常见

在去年2月的公告之前,科学家没有观测到表明两个黑洞可以相互绕转的证据。现在,我们已经看到它们可以这样做。引力波天文学将帮助我们了解宇宙中存在多少相互绕转的黑洞。

5)寻找暗物质的来源

从理论上说,暗物质在宇宙所有物质中的占比达到了27%。但是,我们从未看到过暗物质(因为它们是暗的!),而且我们也不知道它们从何而来。

物质能够产生引力,也许引力波可以帮助我们追踪暗物质的来源。暗物质可能是以许多微小黑洞的形式存在的,它们可能是宇宙诞生之初所出现的“原始”黑洞的残迹。我们目前还不清楚。

6)寻找新的奇异天体

宇宙是一个广阔的暗黑空间。

“我们可能出乎意料地发现(引力)来源,”哈佛大学理论物理学家阿维·勒布(Avi Loeb)说,“那将是最令人兴奋的。”

也许我们会找到“宇宙弦”的证据,这是理论假设中时空的奇异皱褶,其中蕴含了巨大的能量。只有LIGO的性能得到提升以及更多的同类仪器开始上线运行,我们才更有可能找到新的奇异天体。

那将类似于“从简单的伽利略望远镜发展到我们在山顶安装的天文望远镜,”莱茨说,“在接下来的50年里,这将是一个非常令人兴奋的领域。”

翻译:何无鱼

来源:Vox

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