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時空彎曲:天體物理學新發現獲突破 何為引力波?

http://news.sina.com   2017年10月03日 19:14   中國新聞網

  視頻:科學家宣佈再次“清晰”探測到引力波  來源:上海東方高清

  中新網10月4日電 據外媒報導,瑞典皇家科學院將2017年諾貝爾物理學奬授予雷納•韋斯(Rainer Weiss),巴裏•巴瑞斯(Barry C. Barish)和吉普•索恩(Kip S. Thorne)三位科學家,以表彰他們在引力波研究方面的貢獻。為什麼一項常人難以理解的天體物理學新發現能夠引發如此多的關注?究竟什麼是引力波?發現了引力波,又有怎樣的科學意義?

引力導致的時空彎曲

瑞典斯德哥爾摩當地時間10月3日,瑞典皇家科學院將2017年諾貝爾物理學奬授予Rainer Weiss,Barry C. Barish和Kip S. Thorne,以表彰他們在引力波研究方面的貢獻。

  我們無時不刻地感知到重力——也就是引力的存在。而在廣義相對論中,引力可以用時空彎曲來解釋。假設時空就是一張蹦床:一枚小小的網球放在蹦床上,它只會靜靜地停在那裏;而如果此時在蹦床上坐着一個人,蹦床就會向下凹陷,那枚小網球則會滾向這一凹陷處,而且越是離得近,滾得越是快,網球被這處凹陷"吸引"了。

  顯然,坐在蹦床上的那個人體重越大,凹陷就越是明顯,網球就越是容易滾向凹陷處。同理,在時空中,引起改變的那個物體質量越大,時空彎曲程度就越是明顯,産生的"引力"也更大。

  而在那個人一屁股坐上蹦床的那一瞬,蹦床的彎曲會從凹陷中心處向外擴散;此時,如果用高速攝影機觀測、並回放慢鏡頭,會發現這一擴散過程是以波動的形式進行的。就好像平靜的水面上投一枚石子,會産生一圈圈的漣漪——這就是引力波。

  引力波産生在物體加速過程中,即物質的分佈發生改變時(一屁股坐上蹦床的時刻)。比如恆星爆炸、黑洞碰撞,都會産生引力波。引力波會引起時空的伸縮、影響時空的結構(蹦床的彎曲從凹陷處呈波浪狀擴散)。

為何花了一個世紀?

當地時間2016年2月11日,耶路撒冷,希伯來大學的愛因斯坦檔案館館長Roni Gross展示愛因斯坦有關引力波的原始檔案。

  愛因斯坦在1916年發表廣義相對論時,就預言了引力波的存在。與聲波、光波(電磁波)不同的是,引力波在宇宙中的傳播不會受到任何阻擋。

  愛因斯坦描述了時空是如何被引力波拉伸以及壓縮、時空是如何彎曲,也描述了物體是如何在彎曲的時空中運動的。

  愛因斯坦的這一理論被提出后,衆多物理學家都在努力尋找引力波存在的證據。然而,受時代所限,早年間的科學家沒有足夠的技術手段來進行觀測。

  難以觀測的一大原因就是引力波太微弱了。就好比我們觀察蹦床彎曲的波浪狀擴散需要高速攝影機,觀測引力波也需要極端精密的儀器。抵達地球的引力波,其振幅大約相當於氫原子的100億分之一。

  這次立了大功的LIGO(激光干涉引力波探測器),是由相距3000公里的兩個精密觀測裝置共同組成的。每個觀測裝置都具有兩條相互垂直的管道,每條管道長4000米,構成L型。管道內安裝有半透鏡以及反射鏡。激光在L型管道的節點處被半透鏡分為兩路,分別走向L型管道的兩端,從盡端反射回來后,重新匯聚。如果沒有引力波的影響,重新匯聚后的激光會因為同頻干涉而相互抵消。而引力波會極其細微地改變反射鏡與半透鏡的距離,從而影響本應相互抵消的干涉結果。

  而之所以要相隔3000公里修建兩套一樣的觀測裝置,則是為了便於科學家比對引力波的方向以及時間節點。

  除了LIGO項目,還有許多其他裝置也在找尋引力波的影蹤。歐洲空間局最近發射了一枚衛星,可以用來觀測宇宙的細微波動。

  證實引力波為何意義重大?

  從科學意義上而言,證實引力波確實存在,將徹底改變物理學對宇宙的認知。科學家將能夠由此來研究大爆炸事件的后續影響,還能夠更精確地來觀察宇宙中遙遠的角落。源自大爆炸的引力波,還能幫助科學家更好地理解宇宙的構成。

  從科學史角度來看,捕捉到引力波直接存在的證據,就是補上了愛因斯坦廣義相對論實驗驗證的最后一塊拼圖。廣義相對論的其他幾項預言——例如可見光和電磁波的彎曲、水星近日點進動、引力紅移效應此前都已經被證實。

  從普通人的現實角度,雖然暫時無法預測引力波會有哪些現實的應用價值。但是看似遠離日常生活的、1916年發表的廣義相對論,對於如今廣泛應用的衛星定位技術,卻是不可或缺的:衛星必須依照廣義相對論,來修正由地球引力導致的時空彎曲。

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