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从爱因斯坦到LIGO:引力波探索有多曲折?

2018-12-07 09:20   来源:未知

  

原标题:从爱因斯坦到LIGO:引力波探索有多曲折?

当地时间2016年2月11日,美国华盛顿,美国科研人员11日宣布,他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波,证实了爱因斯坦100年前所做的预测。

从美国激光干涉引力波观测台(LIGO) 正式宣布直接探测到引力波至今已经近一个月,而引力波的热潮丝毫没有退散。

3月8日,复旦大学物理学系特聘教授、美国犹他大学物理天文学系终身杰出教授吴咏时,清华大学信息技术研究院研究员、清华大学LIGO工作组负责人曹军威做客复旦大学通识教育大讲堂,开讲引力波百年探索的艰难历程。

清华大学信息技术研究院研究员、清华大学LIGO工作组负责人曹军威讲解LIGO探测引力波的原理。

引力波存在否?爱因斯坦都很纠结

伽利略比萨斜塔实验、牛顿的苹果和万有引力......物理学和近代科学可谓从研究引力开始的。牛顿认为万有引力是超距作用,引力传播是瞬时的,不需要时间。结果这一说法受到了爱因斯坦的质疑。

吴咏时介绍,爱因斯坦于1905年提出狭义相对论,认为任何相互作用力的传播速度都不超过光速,而这与牛顿“引力传播瞬时”的说法很有出入。爱因斯坦要证明牛顿是错的,于是他在后来的广义相对论中提出了“引力场=时空弯曲”这般新观点。

当地时间2016年2月11日,耶路撒冷,希伯来大学的爱因斯坦档案馆馆长Roni Gross展示爱因斯坦有关引力波的原始文件。

1916年,也就是在爱因斯坦提出引力场方程的第二年,他提出了著名的引力波预言:引力场的变化以波动的形式以光速传播,引力波是时空曲率的涟漪。他还预言引力波会在某横截面方向拉伸时空(物体)同时在垂直方向挤压时空(物体)。

然而,引力波的论证史异常曲折。先是理论上,对于是否有引力波,连爱因斯坦本人都有过不止一次的反复。他甚至两次宣布引力波不存在,然后再一次次修正他的预测。

比如1936年,爱因斯坦向学术期刊《物理评论》(Physical Review)投去一篇题为 《引力波存在吗》的论文。那阵子他有关引力波的结论又“反复”了,文章结论是引力波不存在。有意思的是,《物理评论》的编辑泰特竟退回了大科学家的这篇稿子,还附上了一位匿名审稿人长达十页的审稿意见。

爱因斯坦不接受了。他回复《物理评论》说,这发不了,那我换别的地方。更有意思的是,当这篇文章最后发表在《富兰克林研究所学报》上时,结论也完全不同了,变成了“引力波是存在的”。

原来,当时爱因斯坦的同事、宇宙学家罗伯逊(Howard P. Robertson)及时指出了爱因斯坦工作中的错误,并帮助解决了问题,这才让爱因斯坦幸运地没有否定自己20年前对引力波的预言。之后人们还发现,原来那位匿名审稿人也正是罗伯逊。

而除了“引力波是否存在”,“引力波是否载带能量”、“黑洞是否可在物理世界存在”等问题也有过很长时间的争议。“这些争议在五十年代末、六十年代初才逐步得到解决。可以说引力波预言后的前五十年是在争议中度过的。”吴咏时如是说。

激光干涉引力波天文台(LIGO)。

一份3.95亿美元的长期资助

而即便爱因斯坦最后在理论上肯定了引力波的存在,许多对此深信不疑的科学家花上几十年的时间也找不到它存在的证据。科学家们做过计算,发现引力波压缩和伸展的量极其微小,是“原子直径的分数级”。换言之,它很难被发现。

“在实验证明上,引力波的探测史也十分曲折。”吴咏时介绍,先是1968年美国马里兰大学教授约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)宣称用铝柱共振法可尝试探测到引力波。这一宣布让许多同行为之振奋,效仿检验。可其他人哪怕用相同甚至更灵敏的检测器,都未能接收到引力波讯号。于是,韦伯的实验结果被大家否定了。

到1970年代后期,美国物理学家约瑟夫·胡顿·泰勒(Joseph Hooton Taylor)和拉塞尔·艾伦·赫尔斯(Russell Alan Hulse) 共同观测脉冲星双星系统PSR B1913+16,并首次发现引力波存在的间接定量证据, 他两因此于1993年获得诺贝尔物理奖。

激光干涉引力波天文台内部,技术人员正在工作。 视觉中国 资料图

但人们还是没能直接观测到引力波。其实此前美国麻省理工学院的莱纳·韦斯(Rainer Weiss)曾想到用激光干涉法探测引力波,即后来的LIGO。1984年,美国国家科学基金会(NSF)成立由莱纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorne)和罗纳德·德雷弗(Ronald Drever) 三位科(高仿品牌鞋薇芯Ldph6688)学家组成的指导小组,开展LIGO的可行性研究。据韦斯后来的回忆,当时不少天文学家非常反对这个项目,因为他们觉得这是有史以来最大的金钱浪费。

1994年,LIGO好不容易收到NSF的3.95亿美元的长期资助开始LIGO台站的建设。到2002年,LIGO开始进行引力波的搜索。

曹军威于2004年加入LIGO,他介绍说:“(LIGO)探测器为了达到更高的精度,激光用的是高能稳定的激光,镜面用的是全世界最好的镜面,还有精密测试物质和最稳定的震动隔离系统。”

目前LIGO的两个引力波探测器分别位于路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德。观测器向两根长达4公里的真空管道发射激光。当激光反射回来,相互叠加时就会生成标志性的图案“干涉图样”。当引力波经过时,它会使观测器双臂发生压缩和伸展的形变,形变会使波形发生可度量的变化,使波形平移。而在2015年9月14日,这样的引力波信号终于被LIGO探测了。

这次探测到的引力波数据,通过计算机绘制出了当时黑洞合并的效果图。

经过仔细研究确认,这是13亿年前一个双黑洞碰撞合并事件发出的引力波。碰撞前两黑洞的质量分别是36和29个太阳质量,合并后为62个太阳质量。有3个太阳质量的亏损,在千分之一秒的时间里释放成为引力波。

“引力波的存在是爱因斯坦广义相对论时空理论的预言,而直接探测引力波是验证广义相对论的最后也是最重要的‘缺失拼图’,从此开启了引力波天文学及宇宙学的新时代。” 吴咏时感慨,“所以我们说引力波的直接探测是人类物理学、科学和技术的历史性意义的里程碑,一点也不过分。”

作者:罗昕

来源:澎湃新闻

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