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傾聽宇宙深處的顫動

  • 發佈時間:2016-02-14 01:51:28  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  “人類此前的天文學發現都好似‘眼睛’,而引力波的發現意味著人類長了‘耳朵’。”這是美國哥倫比亞大學物理學教授紹博爾齊·馬爾卡,在欣聞鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)首次探測到宇宙引力波這個爆炸性消息時所感。

  早在1915年,愛因斯坦提出廣義相對論,並在次年6月發表的新論文中預言,發生黑洞合併、脈衝星自轉以及超新星爆發等一些強引力場事件時會産生引力波。那麼,究竟什麼是引力波,它又是怎麼在宇宙中傳送呢?

  有別萬有引力

  談及引力波,首次刷新了我們對“引力”的理解和認知。

  在英國康橋大學大門口左邊空蕩的草坪上,矗立著一棵蘋果樹,這是為了紀念17世紀末物理學家牛頓在樹下被落下的蘋果砸頭時,發現了偉大的萬有引力。這個引力的精髓是由物體品質的存在所致。這在近兩百多年裏被奉為宇宙間的絕對真理。直到愛因斯坦分別於1905年和1915年發表了狹義相對論和廣義相對論,對引力提出了一種完全顛覆的看法。

  愛因斯坦認為,引力是因品質對於時空造成變形所致,如同石頭丟進水裏産生的波紋一樣,而非品質之間的吸引。

  打個比喻,如果將時空看成一張大橡膠膜,用小球代替天體,被放在橡膠膜上時,球的品質會把橡膠膜往下壓。這時,如果在旁邊再放一顆球,兩顆球分別造成的“時空彎曲”會讓它們逐漸滾向對方。當它們互相加速運動時,産生的“漣漪”就是引力波。宇宙中大品質天體的加速、碰撞和合併等事件都會形成強大的引力波。

  由此,在物理學上,引力波被賦予如詩般的名字——宇宙中泛起的“時空漣漪”。

  感受時空之顫

  引力波一産生,便乘興而來,似乎什麼都阻擋不住它的步伐,而這種“率性”也是一把雙刃劍。

  引力波具有特別棒的優點,與宇宙中物質的相互作用是非常微弱的,再厚的墻壁在其面前都如同透明一般,因此它能夠將包含著源中心區域最核心的資訊傳播至很遠的宇宙空間,可以讓我們以嶄新的視角回望宇宙大爆炸最初的瞬間,檢驗宇宙大爆炸理論正確與否。它是了解宇宙形成的最好工具。

  然而,現代物理學認為,引力波是一種與電磁波不同的輻射,無法通過電磁輻射直接觀測。因此,對其蹤跡的“捕獲”極為困難。

  愛因斯坦在預言引力波存在時,發現自己的方程有一組解與電磁波的性質類似,以光速傳播。但在論文中指出,因為這個引力波輻射的能量很少,在所有能想得到的情況下,其都可以被忽略。

  也就是説,通常引力波並不容易産生,像地球圍繞太陽以每秒30千米的速度前進,發出的引力波功率僅為200瓦,還不如家用電飯煲的功率大。只有宇宙深處大品質的天體發生加速、碰撞和合併等劇烈活動才可以形成強大的引力波,對所在的時空産生擾動,時空自身的波動也會向遠處傳播,但能産生這種較強引力波的波源距離地球都十分遙遠,傳播到地球時變得非常微弱。

  一旦引力波為地球上的我們所感知,從某種角度而言,那將是人類在感受時空本身的顫動!

  一個世紀的求索

  探測到引力波並非易事。整整一個世紀,眾裏尋他千百度,科學家始終未曾直接觀測到它。

  20世紀60年代末期,美國馬利蘭大學物理學家J·韋伯宣佈通過共振型引力波探測器測量到引力波,引起轟動。但可惜其實驗無人可重復,理論上也很難論證。他的工作激勵了很多科學家加入到引力波理論研究和實驗探測的行列。

  1974年,就在引力波實驗逐漸發展時,美國物理學家約瑟夫·泰勒和天文學家拉塞爾·赫爾斯利用射電望遠鏡發現了一對脈衝雙星,觀測其以引力波形式損失能量的數值與廣義相對論所預言的吻合,由此間接證明了引力波的存在。他們也因此于1993年榮獲諾貝爾物理學獎。

  2014年,由加州理工、哈佛大學等幾所大學的研究人員組成的BICEP2團隊曾宣稱利用南極望遠鏡找到了原初引力波,將直接驗證暴脹宇宙模型,遺憾的是後來證實那只是銀河系塵埃影響的結果。

  日新月異的科技似乎發展到了一個節點,終於為我們撥開迷霧,在美國東部時間2015年9月14日5時51分,科研人員利用LIGO首次“聽”到,來自距離地球13億光年之外的一場引力風暴,兩個巨大品質黑洞碰撞最後併合瞬間對時空的擾動,即引力波。

  實際上,儘管觀測宇宙的望遠鏡越來越靈敏,讓我們看到了很多圖景,但對宇宙的認識一直處於一片寂靜之中。如今,引力波的發現猶如給人類添了個“順風耳”,使人類從此可以傾聽宇宙深處之聲。

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