人类探测引力波的意义是什么 有什么重大发现

伤我心太深

　　引力波从上个世纪被提出来，至今已经快一个世纪了。到现在人类探测引力波，有哪些重大发现?是不是可以证明引力波存在了?

　　全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布他们通过激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到双中子星合并产生的新型引力波，在世界上引起轰动。这是两年来科学家们第五次探测到引力波信号，也是他们首次从中子星的合并中“看到”并“听到”引力波。


　　那么，在探测引力波的过程中，人类都有哪些重大发现呢?


　　人类随时都在被拉伸或压缩


　　爱因斯坦早在1916年就预测过，当诸如黑洞或中子星之类的庞然大物移动时，应该会在时空中泛起涟漪，从而拉伸或压缩宇宙中的一切物体。随着LIGO在2015年9月对引力波的首次成功探测，科学家们认识到，包括地球和我们身体在内的一切物体都随时在被扭曲。当引力波的来源相距甚远时——正如迄今为止我们探测到的所有情况——我们被扭曲的程度微乎其微，难以察觉。但如果产生引力波的黑洞或中子星离地球较近，我们就能够感觉到，随着这些“宇宙怪兽”的运动，我们的身体会被交替拉伸和压缩。


　　黑洞是存在的


　　几十年前我们就知道，黑洞毋庸置疑是存在的。但在使用LIGO之前，人类从未直接观察过黑洞。科学家们只认识到在很多星系中存在着一种超大质量的天体，但因为光子无法从黑洞中逃逸出来，人们也无法确认其存在。LIGO证实了黑洞的存在，同时也证实了它们可以相互围绕运行并合并成为一个更大的黑洞。




　　重元素的起源


　　我们知道氢和氦这两种最轻的元素是在大爆炸中形成的，也知道大多数比氦重但比锆轻的元素是由恒星和超新星生成的，但那些质量最大的元素源自何处，人类一直不甚明了。在最近这次引力波的探测中，天文望远镜观测到，在中子星撞击后，有金、铂和铅等元素生成。根据科学家们计算，本次中子星合并产生了相当于10倍地球质量的金。这证实了双中子星合并是宇宙中大部分超重元素的起源。


　　有关短伽马射线暴


　　当两个中子星碰撞时，会首先喷射出一波伽马射线暴。LIGO探测到引力波信号几秒钟后，美国航空航天局(NASA)的费米(Fermi)伽马射线太空望远镜也探测到了伽马射线。在过去的十多年中，科学家们曾经看到类似的伽马射线暴，也怀疑其来源于中子星合并，但却无法印证这种猜测。而这次引力波的探测证实了这一点，同时也说明这并非人类首次观察到双中子星合并。因为这意味着，只要我们观察到伽马射线暴，我们就在观察中子星的合并，只不过是此前科学家们无法确定而已。




　　我们对宇宙的预测正确


　　迄今为止，我们从引力波中了解到的一切都在先前被广泛模拟并预测过。我们以前几乎准确知道由一对黑洞或中子星的合并会产生引力波。我们知道黑洞理论上是存在的，也大致知道他们如何绕行并碰撞。我们也曾比较确定中子星的撞击会产生重元素和短伽马射线暴。在最近这次探测中，LIGO能够测量宇宙的膨胀，而测量的结果与使用其它方法计算的结果相一致。


　　美国科学家宣布探测到引力波


　　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。这一发现印证了物理学大师爱因斯坦100年前的预言。
　　早在1915年，爱因斯坦在广义相对论的基础上提出了引力波的存在，并预言强引力场事件可产生引力波，比如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等。
　　现代物理学认为，引力波是一种与电磁波不同的辐射，无法通过电磁辐射直接观测。引力波与宇宙中物质的相互作用是非常微弱的，因此可以传播至很远的宇宙空间。




　　为“捕获”引力波，美国国家自然科学基金会于上世纪90年代在路易斯安娜州利文斯顿和华盛顿州汉福德各建造了一个激光干涉引力波天文台(LIGO)。每个天文台都有两个长达4公里的测量臂，呈L型排列。来自加州理工学院、麻省理工学院等90多所高校的1000多名科学家参与LIGO的日常探测和研究。


　　美国东部时间2015年9月14日5时51分，位于利文斯顿的探测器首先传出撞击声，7毫秒后，汉福德的探测器也传出撞击声。这意味着有引力波传到了地球，并被两个天文台探测到。
　　LIGO官网11日在一份新闻稿中表示，此次探测到的引力波是由两个黑洞合并引发的。这两个黑洞的直径都在150公里左右，它们不断靠近，旋转，并最终合并成一个黑洞。两个黑洞一个达到太阳质量的29倍，一个为太阳质量的36倍。据推测，两个黑洞的合并发生在13亿年前，合并过程中产生的引力波经漫长的传播最终抵达地球。


　　据推测，两个黑洞以1/2倍光速的速度相撞后合并。二者在合并的过程中释放出约3个太阳质量的能量，这些能量以引力波的形式辐射出去。

　　LIGO的创始者之一、麻省理工学院物理学教授雷纳·维斯说，“引力波的发现漂亮地印证了爱因斯坦在100年前的预言。如果我们有机会告诉他这件事，我真想看看他脸上的表情。”
　　在哥伦比亚大学物理学教授绍博尔齐·马尔卡看来，人类此前的天文学发现都好似“眼睛”，而引力波的发现意味着人类长了“耳朵”。他表示，引力波携带大量信息，它的发现可帮助科研人员更好地了解黑洞。




　　学界普遍认为，引力波的发现是物理学和天文学的一项重大突破。它开启了人类探索宇宙的一扇大门，甚至可能揭开宇宙诞生早期的奥秘。


　　人类首次直接探测到引力波


　　爱因斯坦又对了!在这位大科学家提出引力波的预言百年之后，美国科学家2月11日宣布，人类首次直接探测到了引力波。这是人类第一次能够“听”到宇宙的“声音”。引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，它的发现是物理学界里程碑式的重大成果。


　　我们能够“听见”宇宙了


　　“女士们、先生们，我们已经探测到引力波，我们找到它了。”美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)执行主任戴维·赖茨当天在华盛顿举行的记者会上宣布。
　　在一片嘈杂的背景噪音中，一声“噗”的清脆声响，如水滴落水，持续时间短暂得不到1秒，这正是由引力波转化成的宇宙之声。当天召开的记者会上，LIGO科学家现场播放了来自宇宙的“声音”。


　　“我们能够‘听见’引力波，我们能够‘听见’宇宙，这是引力波最美妙的事件之一。我们将不仅‘看见’宇宙，我们还将‘倾听’它，”LIGO项目组发言人、路易斯安那州立大学物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯在记者会上介绍。

　　来自加州理工学院的赖茨把寻找引力波比作科学上的登月项目。“我们做到了，我们登上了这个‘月球’。”他兴奋地重复道。参与记者会的还有麻省理工学院的研究人员及资助研究的美国国家科学基金会人员。


　　引力波信号由黑洞合并产生


　　引力波是一种时空涟漪，如同石头被丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。100年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。

　　上世纪70年代，曾有美国科学家在观测双星系统的过程中，发现引力波存在的间接证据，并因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

　　在将于《物理学评论通讯》杂志发表的新研究中，科学家探测到的是由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号，持续不到1秒。它经过13亿年的漫长旅行，于2015年9月14日抵达地球，被刚改造升级的LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。

　　据研究人员估计，两个黑洞合并前的质量分别相当于36个和29个太阳质量，合并后的总质量是62个太阳质量，3个太阳质量的能量以引力波的形式在不到1秒的时间内释放，释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约50倍。


　　开启观测宇宙的新窗口


　　LIGO是美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造的两个引力波探测器，改造升级后其探测灵敏度大幅提高。10多个国家超过1000名科学家参与了这个搜寻引力波的项目。

　　有关LIGO发现引力波的传言已在物理学界传播了几个月，最早透露这一消息的是美国亚利桑那州立大学物理学家劳伦斯·克劳斯，但一直没有获得LIGO项目组证实。
　　克劳斯11日说，发现引力波是一个“重大里程碑”，它开启了观测宇宙的一个新窗口，就像望远镜的发明或太空无线电波的发现一样。
　　LIGO项目组发言人加布里埃拉·冈萨雷斯说：“这一发现是一个新时代的开端，引力波天文学现在成为现实。”

　　“爱因斯坦一定也会吓一跳”

　　“我们探测到了引力波。我们做到了。”当地时间11日清晨，当LIGO执行主任、加州理工学院教授戴维·赖茨在华盛顿宣布这一消息时，挤在美国加州理工学院天文学与天体物理学中心参加同步新闻发布会的上百名科研人员沸腾了。

　　长久的欢呼、掌声和泪水……难怪科研人员这么激动，依照科学家的说法，人类探测到引力波，如同一个失聪的人突然获得听觉，从此获得感知世界的新能力。这一天，距爱因斯坦预测引力波存在已有百年。

　　“我相信爱因斯坦看到今天的结果，一定也会吓一跳，”LIGO科学合作组织研究成员之一、加州理工学院物理学教授陈雁北说，“尽管他会因自己在广义相对论、量子力学、激光等多个领域的贡献感到欣慰，但百年来物理学已获得前所未有的发展。对于人类今天的成就，爱因斯坦一定无法想象。”

　　爱因斯坦百年前预言引力波存在，但也曾认为，由于引力波太过微弱，它无法被探测到。参与LIGO项目的澳大利亚墨尔本大学研究员孙翎对记者说：“我们证明了爱因斯坦的正确，另一方面他也说错了，我们真的探测到了。”


　　捕捉引力波为啥这么难?


　　引力波是非常弱的一种信号，弱到连爱因斯坦本人都曾怀疑能否建造足够灵敏的探测器，探测引力波很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。
　　20世纪90年代起，大型激光干涉仪引力波探测器开始在全球范围内兴建，真正拉开了引力波探测黄金时代的序幕。

　　美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造了两个激光干涉引力波探测器(LIGO)。LIGO拥有巨大的L形测量臂，每边各有4千米长，两端设有反射镜面。发出的一束激光沿着L形互相垂直的两边前进并被来回反射。一般情况下，激光由于干涉而互相抵消，探测器接收不到光信号，但一旦引力波经过，便会改变激光通过的距离，从而被观测到。探测引力波需要探测器具有极高的灵敏度，还需区分开来引力波信号和环境或仪器噪声。

　　2015年9月14日北京时间17点50分45秒，位于利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了后来被命名为GW150914的引力波信号。科学家们通过进一步的数据分析还证实了这是两个黑洞合并的事件。

　　在当天的记者会上，也有人问所探测到的引力波信号是不是好得过头了?LIGO项目科学家的回答是，他们花了几个月的时间进行验证，这也是为什么去年9月探测到引力波信号，却拖到今天才宣布。这些科学家还相信，随着探测器灵敏度的提高，今年应该会探测到更多引力波信号。


　　探测到引力波有多重要?


　　包括中国科学家在内的多国科学家认为，新发现不仅填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图，让现代物理学的根基更加坚实，也意味着科学家抓住了揭开宇宙奥秘的“钥匙”，有助于了解宇宙的起源和运行机制。

　　英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金表示：“引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。(人类)探测到引力波的这种能力，很有可能引发天文学革命。”
　　南非夸祖鲁-纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲说，天文学的发现几百年以来主要靠电磁光谱的测量，射电、光学、红外、X射线等天文观测手段均是在收集光，靠“看”观测宇宙。引力波的发现则将从“听”这一完全不同的角度进行天文观测，引力波天文学这一学科的大门彻底被打开。引力波将成为检验爱因斯坦相对论、探测黑洞质量、测量宇宙距离等基本问题的新窗口。

　　参与该项目的美国宾夕法尼亚州立大学科学家查德·汉娜说，我们无法预测引力波天文学将如何改变对宇宙的基本认知，就像伽利略用他的小望远镜预测不了哈勃太空望远镜展现给我们的宇宙那样，“我们可以预期的是，100年后我们的后辈所知道的将与我们所知道的有天壤之别”。

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