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为什么引力波是今年的真正的"科学的突破"

为什么引力波是今年的真正的"科学的突破"

我们在 2016年有的一个科学突破是非常少见的

Updated by Brian Resnick@B_resnickbrian@vox.com  Dec 22, 2016, 2:00pm EST


LIGO/T. Pyle

2016 年一直是一个艰难的年。但在 2016 年中科学仍然是一个乐观主义的来源。

为了解决一个科学的问题,你必须相信它是可解的。这使得科学发现天生乐观的。发现帮助我们理解我们的世界------它的这个伤痕累累的、不完美的美丽的糟乱------只是稍微更好一点。科学中最大的突破,这不是环绕经常的,也打开有待回答的新问题的大门。

今年,我们有这样一个的突破

科学期刊今天写道"引力波的发现已经改变了科学景观",宣称它们是"年度突破"。今年2月,然后再在今年6月,物理学家宣布了他们听到了的这个空时中的一个纹波的微妙隆隆声,两个黑洞彼此碰撞进另一个的结果。这些观察证实了"引力波"的存在,这阿尔伯特·爱因斯坦100 多年前就预测到了但直到今年从未实际记录到过。这个被两个巨大的科学实验捡起------一个在路易斯安那州和一个在华盛顿州------被称为 LIGO激光干涉引力波天文台

这个发现是巨大的,不只是因为它回答了一个100岁的问题。它是巨大的因为它推出了一个全新的科学分支

现在,我们的望远镜只能看到发射电磁辐射天体------可见光、x 射线、γ射线等等。但一些天体,如碰撞的黑洞大爆炸的冒烟的枪,不会发射任何电磁辐射。相反,它们发射引力。这就是为什么有引力波天文学宇宙中的不可见天体可能很快会成为可见的的。

LIGO的嘉奖一直是丰富的︰ 几天前,自然杂志命名了这个项目的科学领导人之一伽布列拉冈萨雷斯为它的10 2016 "年度重要人物"之一。物理世界杂志命名LIGO为今年的一个突破外交政策杂志LIGO 科学家放在全球思想家的年终表中。(这个努力没有获得今年的诺贝尔奖,但在未来有一个好机会的)。

LIGO 引力波表明科学的进步仍在一个破碎的世界中有动量的。科学杂志以这种方式总结了这个发现的重要性"一个新的科学的召唤"

为什么引力波重要的

正如声波干扰空气弄出声响一样,引力波好像它存在在一个哈哈镜中一样干扰空时的织造推拉物质。如果一个引力波通过你,你会看到你的一个手臂比另一个变的更长。如果你在每个手腕上戴了一块手表,你会看到它们不同步滴答的。

 

由两个此环绕运行的中子星产生的的引力波的二维表示。Wikimedia

引力波被任何质量的运动产生。一位密尔沃基威斯康星大学物理学家莎拉·考迪尔6月告诉我,"例如,如果我真的疯狂的挥动我的双臂,我会产生引力波"

但还没有办法来检测那样微弱的引力波。现在,我们的传感器需要一个真的,真的很大声的声源------两个黑洞碰撞一样。

LIGO 实验室的理事长戴夫雷兹说,"就在现在我正沐浴在引力波中,你正沐浴在引力波中,为什么我们的干涉仪 [即探测器] 不能感觉到它的原因是因为这些波的振幅------它们正在创建的信号的大小------是远远小于我们的探测器能够检测到的的"

两个黑洞碰撞释放一个大声的引力的雷霆一击。但在它们14 亿年以后到达地球的时候,它们已经成为非常微弱的(像池塘的涟漪怎样随更远离一个丢弃的石头变的不那么疯狂一样)。

(科学家使用声音的隐喻,因为引力波频率是比较到我们听的声波的频率的。)

一个听到的LIGO (约去年圣诞节)是约 0.7 阿托米(attometers高的。一个阿托米是10 ^-18 。这比一个原子小得多。以下的 GIF显示始于一个原子宽度然后放大到 10 ^-18米的。我们能够听到某些那样小的东西是令人惊异的。

GIF

LIGO

LIGO,由国家自然科学基金资助,在路易斯安那州华盛顿州操作两个巨大的实验。两者都是巨型的L形管每个管臂长度是 2.5 英里

在实验中,一个激光束在两个臂之间被平分。在每个臂的末端是一面镜子,它把这个激光反映回这个起始点。LIGO正在寻找的是引力波正在足够扭曲空时一个臂之一使它变得暂时比另一只臂更长的证据。

所有这一切花了几十年的工作︰ LIGO测试理论是在20 世纪初发展起来的、 LIGO 项目始于上世纪 80 年代,它第一次于2002年开机,并花了一个国际努力来听并确认这些今年通过的的来到的。现在它正在有一个重要的时刻,但它要显示有深根的大突破科学最终是一个协作的、数代人的努力

我们能从引力波天文学学到其他什么很酷的东西呢?

现在LIGO不能指向天空中一个区域来寻找引力波的。相反,它只是在听在任何特定时刻穿过地球引力波。它目前的不做一个指出这些正从哪里来的伟大的工作。


  这是在 2015  12  26 日那一天检测到的引力波事件的近似位置。它是一个相当广泛的天空面积。LIGO在一份新闻稿解释:"彩色的线条代表这个信号发源地的不同概率︰ 外紫色线定义预计信度 90%的这个信号来自的区域;内的黄线定义可信度水平10%的目标区域。" LIGO/Axel Mellinger

幸运的是,在未来的几十年中世界上将有多达五个的探测器在线(以及一些基于空间探测器)。下一步在线的是一个在意大利被称为处女座探测器,预计在 2017年开始运行。有三个探测器,科学家们将能够更好的指定这些正在从天空中哪里来。

这里是下一时代引力波天文学可以完成的一些很酷的事情。

1)进一步看回时间

我们当前的望远镜舰队的一个问题是它们不能看回到宇宙形成的初期

去年二月麦克马斯特大学粒子物理学家克里夫伯吉斯告诉我,"如果你用可见光看我们能在宇宙中看的最远的,这个宇宙不再是透明的;它变得不透明的,几乎没有什么对引力是不透明的。用LIGO,我们可以潜在的侦听来自早期宇宙或者甚至大爆炸发放的引力波,获得一个它如何形成的更好理解。

2) 改善爱因斯坦的广义相对论理论

一个世纪前,爱因斯坦发表了他的广义相对论理论。并且自那以后它已经支配了我们理解引力。但物理学家 (和爱因斯坦本人)很早就推测了这个理论并不完整,因为它不能与量子力学法则玩的好的。引力波可以帮助物理学家广义相对论放到越来更难的测试来看失败的地方。

考迪尔说,"我们发现了这些黑洞100 年前形成的爱因斯坦的的理论是完全一致的,因此那很酷,但随我们得到越来约多的检测,我们能更深的探索他的理论,也许暴露它之中的"

3)发现新的中子星

中子星是放出大量的引力坍塌恒星的密度极高的心。关于它们酷的是它们也产生光。考迪尔说,用LIGO"如果你能看到一个像中子星碰撞一个黑洞和中子星碰撞一样的事件",你然后能把传统的望远镜指向它们看这个灯展的。

4)学习对黑洞来环绕彼此是多么常见的

2月宣布前,没有一个科学家已经有两个黑洞可能彼此环绕的观测到了的证明的。现在我们已经看到两对它们在做它。引力波天文学会帮助我们了解在宇宙中多少这些成对存在的。

5)寻找暗物质的来源

暗物质在理论上构成宇宙中所有物质27%。但我们从未见过暗物质(它是黑的!),并且我们不知道它从哪里来。

物质创建引力。或许引力波能帮助我们跟踪暗物质的来源。它可能以许多微小黑洞的形式存在。它可能是在宇宙之初创造的"太初"黑洞的遗留物。我们不知道。

6)寻找新的、奇异的天体

宇宙是一个大的、黑暗的地方。

哈佛大学理论物理学家阿维·娄埃布说,"我们可能发现我们没有预料到的引力源,那将是最令人兴奋的"

也许我们将发现"宇宙弦"的证据,空时中包含大量的能量虚拟的怪异涟漪。发现这些奇怪的新天体的机会只随着LIGO和它的来上线的同行的力量增加而增加。

雷兹说,它将会像"从简单的伽利略望远镜到你放在山顶的望远镜的类型"一样,未来的50年中,这正走向一个真的令人兴奋的领域"

http://www.vox.com/science-and-health/2016/12/22/14053036/gravitational-waves-breakthrough-year-science?yptr=yahoo

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来自:虚空之漂者  > 科普文摘
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