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探索|引力波是如何被发现的?

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13.4亿年前,在距离地球非常非常遥远的地方发生了一件大事情。这可以算是宇宙中毁天灭地的大灾难。不过它和地球上发生的任何灾难都不同,不像是小行星撞击一样,发生剧烈的爆炸,然后地震、海啸、火山喷发。宇宙中这场灾难发生的静悄悄的,假如你就在附件,你甚至不会看到耀眼的光亮。

因为发生的事情是两个黑洞相撞了。它们非常地巨大,一个有36个太阳的质量,一个有29个太阳的质量。它们在宇宙中快速地相互旋转着,逐渐地靠近,就像是被吸进了下水道的漩涡。因为黑洞巨大的引力,还会拖拽着周围的空间发生这变形和扭曲,随着它们的旋转释放出阵阵的引力波。

引力波向外扩散,以光速前进。因为引力波是空间本身的震荡,所以不会有任何东西阻拦到它。然后,就这样光速行驶了13.4亿年之后抵达了地球。13.4亿光年的距离,已经让引力波的能量衰减得非常严重,它穿过地球穿过我们每一个人的时候,我们不会有任何感觉。

不过在地球上却有一群科学家却一直期待着它到来。他们为此建立了庞大的设备,等待了很久,心中期盼着来吧来吧,任何一个引力波过来都可以。于是在2015年9月14日,屏幕上的图像跳动了,引力波被接收到了,那里的科学家简直不敢相信这一切,又经过反复地验证,最后在2016年2月14日发布消息,引力波第一次被人类确认存在,至此爱因斯坦所有广义相对论的预言都得到了验证。

发现它的是激光干涉引力波天文台,英文单词首字母缩写是LIGO。1992年开始筹划,1999年年底建成,中间十几年一直没有什么发现,直到2015年重新进行了升级,没几个月就发现了引力波。大家可以看一下下面这个图,这个设备非常巨大,就像是一个巨型的直角尺。两个垂直着的是激光的通道,有3000米长,从头跑到尾相当于跑操场10圈。

因为引力波是对空间本身的压缩,当引力波经过的时候就会把这么长的通道压缩得小那么一点点,然后和就能拿来和另一个没有压缩的进行比较,这个时候就能知道短了多少。就是通过这样的方法来确认是否有引力波。问题是如何测量通道长度的变化呢?难道是用尺子量吗?用尺子是不行的,因为尺子本身也会随着空间的压缩而压缩,尺子和通道一起缩短,最后测出来就是没有变化。

所以才会用激光来测量,光速是不变的,不会随着空间的变化而变化,所以只需要知道光从一头到另一头所花的时间有没有改变就可以知道距离是否产生了变化。这也是为什么这个通道要这么长,一个原因是引力波已经非常弱了,通道就像是天线一样,越长信号越好;再一个就是毕竟是要用激光来测量的,光度太快,通道太短的话就太难被测量到了。其实实际上,是激光从两个通道交汇处发出,然后到达两端会被反射回来再次相交,只要在原地就可以互相验证得出是否距离缩短了。

通过这样的方法就可以测量到非常小的距离变化,小到多少呢?可以小到质子的千分之一。大家可能想不到这精确度有多高啊,我可以举一个比较形象的例子,如果把质子的千分之一放大到和蚂蚁一样大,你能想象到3000米的激光通道会被放大到多少吗?是和地球一样大吗?不是。是和太阳系一样大吗?也不是,而且还是远远不够的。答案是要比银河系的直径还要大。在银河系里面找一颗星球都非常的困难,而LIGO相当于可以观察到一只蚂蚁大小的变化。

也正是因为精度要求这么高,所以在测量的时候周围是不能有其他干扰的,如果周围有汽车火车经过就会影响准确性。所以才会建立在无人的荒原上,而且还是一建就建了2个。这两个LIGO相距有3000多公里,大家可以看一下下面的图,几乎夸过了整个美国。这样,就可以互相验证。如果只有一个探测到了有波动,另一个没有,那么很可能就是受到了干扰,不过如果两个同时探测到了,那就不大可能是受到了干扰,而非常有可能是引力波了。

不知道大家在听历史或是看纪录片的时候有没有这一种感觉,在某某时期发生了一件事,代表了某个时代的到来。就比如18世纪瓦特改良了蒸汽机,代表着工业革命时代开启;19世纪末爱迪生发明电灯,代表着电气时代到来;20世纪40年代,第一个原子弹爆发,代表着人类进入了核能时代。总感觉生活在那个时代的人非常幸运,可以亲自见证某件改变世界的事情发生,而自己生活的时代却平淡无奇。

可能你并不清楚,引力波的发现就是一件可以载入史册的大事件,而且很有可能它就是那个代表着一个新时代到来的大事件。原因我们上期也讲到过,因为引力波的发现代表着,人类终于有了一种超越电磁波的方式去观察宇宙,很多原来不可能被探知的秘密现在有了可能。

当然,如果想实现对宇宙更深入地了解,只靠LIGO是不够的。引力波在传播的过程中衰减的太快了,就像这一次探测到的引力波,即使是黑洞碰撞如此剧烈的宇宙现象,释放出的引力波到了地球也只能用这么精密的仪器才能探测到,可见这件事的难度。如果想要探测到更细微的引力波,只有两种方法,要么是实现去辨别更短的距离,不是现在这样质子的千分之一,而是万分之一或是十万分之一;另一个方法,就是把激光的通道加长,每加长一倍就相当于把测量精度提高一倍。

去探测更小的距离变化是不太可能了,再小就是量子级别了,所以只能把激光通道增大。于是,科学家们就做出了一个新的计划,打算把引力波探测器放在太空中。这个引力波探测装置叫做演化激光干涉空间天线,英文单词缩写是eLISA。由它构成的激光通道可是相当长的。它是由3个相同的航天器构成,互相之间通过激光联系成一个等边三角形,一个边长就有5百万千米。

它们也不是像卫星一样绕着地球旋转,而是会跟在地球后面一起绕太阳旋转。大家可以看一下下面这个图,就是eLISA的想象图。如果不出意外,按照计划2034年它们就可以投入使用了。到时候就应该会有无数的新发现等着科学家们了。

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