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穿越時空:除了引力波,還有信念

  • 發佈時間:2016-02-14 01:51:27  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  2月11日,加州理工學院、麻省理工學院以及“鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)”的研究人員在華盛頓舉行記者會宣佈他們探測到引力波的存在。圖為技術人員在關閉艙門抽制真空前檢查光學部件。新華社發

  13億年前,兩個恒星量級黑洞撞到了一起。

  大約3倍于太陽品質的物質,在不到1秒的時間內,被轉化為引力波。這在時空中激蕩起的漣漪,以光的速度向外擴散。

  黑洞合併的交響曲已經奏響,只是它幾乎無聲無息,混雜于所有噪聲中。

  100年前,物理學家愛因斯坦做出了關於引力波的預言。時空告訴物質如何運動,物質引導時空如何彎曲。當物質在時間的“水面”運動,水波便會蕩開。但他又説,在所有能想得到的情況下,引力波的輻射都可以被忽略。

  有多小呢?當一列引力波向你走來,你便會經歷一個忽高忽矮、忽胖忽瘦的神奇過程。但是這樣的一個變化幅度,大概為一個氫原子的五百億分之一那麼微小。

  不過人類並未因此放棄探測引力波。實驗物理學家約瑟夫·韋伯(Joseph Weber)用共振法尋找引力波,他自己發明瞭一種鋁制圓筒作為探測工具。上世紀60年代末,他宣稱引力波撞擊了這一探測器;但他實驗結果從未再現,又無法解釋,因此未獲認同。

  但不管怎樣,追尋引力波的征程開始了。

  又是幾年過去,1974年,兩位科學家發現了一對脈衝雙星。這個星體由兩個在近距離軌道裏相互纏繞的中子星組成,而且以愛因斯坦預測的速度螺旋式向內靠攏——這是引力波存在的間接證據!神秘的引力波,現出了一個朦朧身影。

  可是還不夠。20世紀90年代起,在世界各地,一批大型鐳射干涉引力波探測器開始籌建。它們是人類用來捕捉引力波音符的耳朵。

  17年前,鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)在美國初步建成。一晃十年,它沒有探測到任何確定的引力波信號。2010年,LIGO開始對探測器進行升級。2015年9月,靈敏度提升了十倍的升級版LIGO整裝再出發。長臂中的鐳射再次不知疲倦反覆奔跑,等待著引力波降臨,那個神奇的干涉圖紋的出現。

  2015年9月14日,一個與往常並沒有什麼分別的夜晚,人類終於捕捉到了13億年前黑洞合併奏出的那首交響曲的音符。他們給它取名為GW150914。愛因斯坦廣義相對論的最後一塊拼圖,被補上了。

  當地時間2016年2月11日,LIGO科學合作組織向全世界宣佈,人類首次直接探測到了引力波。

  “我們今天慶祝的發現體現了基礎科學的悖論:它是辛苦的、嚴謹的和緩慢的,又是震撼性的、革命性的和催化性的。”麻省理工學院校長在給全校的信中如此寫道。

  “存在的東西永遠就在那裏。只是我們不知道,它會在什麼時間、什麼地點以什麼形式被發現。即使不是LIGO,歐洲的eLISA衛星探測,法國和義大利等國合作的VIGRO探測器;德國的GEO 600 探測器,中國的阿裏和天琴計劃……必然有一個項目,能探測到引力波。” 中國科學技術大學天文係教授蔡一夫教授説。

  愛因斯坦的預言是對的,然後呢?

  德國馬克斯·普朗克引力物理研究所博士生明鏡喜歡拿遠古生物奇蝦打比方。這種生物,率先進化出了可以真正“看到”東西的眼睛。“現在,我們看到了第二種光。人類從此有了第六感,就像有了超能力。”

  引力波天文學的基礎是引力波探測,它是天體源物質運動或品質分佈發生變化時産生的,在宇宙中更為普遍。“它可以提供電磁輻射不能攜帶的資訊,探測到無法用電磁輻射或不具有電磁輻射的天體,為我們描繪出與(以電磁輻射為觀測基礎的)傳統天文學給出的完全不同的宇宙圖像”。明鏡説。

  這一發現同樣會讓物理學家振奮。物理學兩座金碧輝煌的大廈——廣義相對論和量子力學,在其各自領域巍巍聳立;但遺憾的是,它們似乎各自獨立,並無關聯。物理學家追尋著一種“大統一”,希望四種基本作用力(強力、弱力、電磁力和引力)能夠被納入一個統一模型。“引力波就能讓它們産生交集,為它們架起橋梁。”蔡一夫説。而明鏡也認為,引力波或可以成為打開大統一理論的鑰匙。

  當然,LIGO探測到的,只是引力波的一種。美國麻省理工學院物理系研究員蘇萌介紹,針對不同天體物理與宇宙學起源的引力波信號,探測引力波的主要手段目前共有四種。

  超大品質黑洞併合時發出的引力波,對應的頻率在百萬分之一到一萬分之一赫茲;科學家用若干精確校準後的毫秒脈衝星在宇宙中排成校準源陣列,利用地面的大型射電望遠鏡來尋找它;而針對十萬分之一到一赫茲的引力波,則可用空間衛星陣列,我國由中山大學領導的“天琴計劃”,正是該類型的引力波探測。

  而此次地面鐳射干涉手段探測的引力波,目標是幾十到幾千赫茲的高頻段,其主要信號源就是中子星、恒星級黑洞等緻密天體組成的雙星系統併合過程。

  還有一種,是在宇宙微波背景輻射中尋找原初引力波。

  “宇宙的標準年齡是138億歲。這次我們知道了一個很小的區域在10多億年前是什麼情況,但是宇宙剛形成的時候發生了什麼呢?”蔡一夫説,我們可以更有野心。

  宇宙暴脹理論認為,在大爆炸發生後的極短一瞬間,宇宙經歷了一場快速膨脹,時空産生了劇烈擾動。這一過程中産生的原初引力波就會在宇宙微波背景輻射(CMB)中留下可探測的印跡。CMB是宇宙的第一縷光,它是宇宙創生大概在38萬年時的樣子。尋找原初引力波,就是要在這一微波背景輻射找到引力波的獨特印記——光的B模式偏振。

  南極是地球上觀測微波背景輻射的最佳地點之一。然而南極緯度太高,能看到的天區也是“猶抱琵琶半遮面”。至於北半球的最佳觀測點,在格陵蘭島和我國西藏阿裏地區。中國科學院高能物理研究所正在主導推動阿裏CMB探測計劃。該計劃負責人張新民表示,阿裏地區大氣透射率高,水汽含量少,而和格陵蘭島相比,它已經具備了完善的臺址條件,“西藏阿裏建設望遠鏡,可見天區比格陵蘭要大一倍,我們佔了天時地利。”

  科學家期待著,在海拔5000多米的阿裏,去破譯“宇宙如何誕生”的密碼。中科院高能物理研究所副研究員李虹介紹,該項目計劃通過中美合作模式,領導建設北半球首臺CMB望遠鏡,實現北天區首次CMB高靈敏探測。

  “現在能聽到一個音符,我們將來會一首首地記錄宇宙的交響樂。”蘇萌如此展望。

  (科技日報北京2月13日電)

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