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穿越时空:除了引力波,还有信念

2016-02-14 17:51 来源: 科技日报  

  2月11日,加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员在华盛顿举行记者会宣布他们探测到引力波的存在。

  穿越时空:除了引力波,还有信念

  本报记者张盖伦

  2月11日,加州理工学院、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台(LIGO)”的研究人员在华盛顿举行记者会宣布他们探测到引力波的存在。图为技术人员在关闭舱门抽制真空前检查光学部件。新华社发

  13亿年前,两个恒星量级黑洞撞到了一起。

  大约3倍于太阳质量的物质,在不到1秒的时间内,被转化为引力波。这在时空中激荡起的涟漪,以光的速度向外扩散。

  黑洞合并的交响曲已经奏响,只是它几乎无声无息,混杂于所有噪声中。

  100年前,物理学家爱因斯坦做出了关于引力波的预言。时空告诉物质如何运动,物质引导时空如何弯曲。当物质在时间的“水面”运动,水波便会荡开。但他又说,在所有能想得到的情况下,引力波的辐射都可以被忽略。

  有多小呢?当一列引力波向你走来,你便会经历一个忽高忽矮、忽胖忽瘦的神奇过程。但是这样的一个变化幅度,大概为一个氢原子的五百亿分之一那么微小。

  不过人类并未因此放弃探测引力波。实验物理学家约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)用共振法寻找引力波,他自己发明了一种铝制圆筒作为探测工具。上世纪60年代末,他宣称引力波撞击了这一探测器;但他实验结果从未再现,又无法解释,因此未获认同。

  但不管怎样,追寻引力波的征程开始了。

  又是几年过去,1974年,两位科学家发现了一对脉冲双星。这个星体由两个在近距离轨道里相互缠绕的中子星组成,而且以爱因斯坦预测的速度螺旋式向内靠拢——这是引力波存在的间接证据!神秘的引力波,现出了一个朦胧身影。

  可是还不够。20世纪90年代起,在世界各地,一批大型激光干涉引力波探测器开始筹建。它们是人类用来捕捉引力波音符的耳朵。

  17年前,激光干涉引力波天文台(LIGO)在美国初步建成。一晃十年,它没有探测到任何确定的引力波信号。2010年,LIGO开始对探测器进行升级。2015年9月,灵敏度提升了十倍的升级版LIGO整装再出发。长臂中的激光再次不知疲倦反复奔跑,等待着引力波降临,那个神奇的干涉图纹的出现。

  2015年9月14日,一个与往常并没有什么分别的夜晚,人类终于捕捉到了13亿年前黑洞合并奏出的那首交响曲的音符。他们给它取名为GW150914。爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图,被补上了。

  当地时间2016年2月11日,LIGO科学合作组织向全世界宣布,人类首次直接探测到了引力波。

  “我们今天庆祝的发现体现了基础科学的悖论:它是辛苦的、严谨的和缓慢的,又是震撼性的、革命性的和催化性的。”麻省理工学院校长在给全校的信中如此写道。

  “存在的东西永远就在那里。只是我们不知道,它会在什么时间、什么地点以什么形式被发现。即使不是LIGO,欧洲的eLISA卫星探测,法国和意大利等国合作的VIGRO探测器;德国的GEO 600探测器,中国的阿里和天琴计划……必然有一个项目,能探测到引力波。”中国科学技术大学天文系教授蔡一夫教授说。

  爱因斯坦的预言是对的,然后呢?

  德国马克斯·普朗克引力物理研究所博士生明镜喜欢拿远古生物奇虾打比方。这种生物,率先进化出了可以真正“看到”东西的眼睛。“现在,我们看到了第二种光。人类从此有了第六感,就像有了超能力。”

  引力波天文学的基础是引力波探测,它是天体源物质运动或质量分布发生变化时产生的,在宇宙中更为普遍。“它可以提供电磁辐射不能携带的信息,探测到无法用电磁辐射或不具有电磁辐射的天体,为我们描绘出与(以电磁辐射为观测基础的)传统天文学给出的完全不同的宇宙图像”。明镜说。

  这一发现同样会让物理学家振奋。物理学两座金碧辉煌的大厦——广义相对论和量子力学,在其各自领域巍巍耸立;但遗憾的是,它们似乎各自独立,并无关联。物理学家追寻着一种“大统一”,希望四种基本作用力(强力、弱力、电磁力和引力)能够被纳入一个统一模型。“引力波就能让它们产生交集,为它们架起桥梁。”蔡一夫说。而明镜也认为,引力波或可以成为打开大统一理论的钥匙。

  当然,LIGO探测到的,只是引力波的一种。美国麻省理工学院物理系研究员苏萌介绍,针对不同天体物理与宇宙学起源的引力波信号,探测引力波的主要手段目前共有四种。

  超大质量黑洞并合时发出的引力波,对应的频率在百万分之一到一万分之一赫兹;科学家用若干精确校准后的毫秒脉冲星在宇宙中排成校准源阵列,利用地面的大型射电望远镜来寻找它;而针对十万分之一到一赫兹的引力波,则可用空间卫星阵列,我国由中山大学领导的“天琴计划”,正是该类型的引力波探测。

  而此次地面激光干涉手段探测的引力波,目标是几十到几千赫兹的高频段,其主要信号源就是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统并合过程。

  还有一种,是在宇宙微波背景辐射中寻找原初引力波。

  “宇宙的标准年龄是138亿岁。这次我们知道了一个很小的区域在10多亿年前是什么情况,但是宇宙刚形成的时候发生了什么呢?”蔡一夫说,我们可以更有野心。

  宇宙暴胀理论认为,在大爆炸发生后的极短一瞬间,宇宙经历了一场快速膨胀,时空产生了剧烈扰动。这一过程中产生的原初引力波就会在宇宙微波背景辐射(CMB)中留下可探测的印迹。CMB是宇宙的第一缕光,它是宇宙创生大概在38万年时的样子。寻找原初引力波,就是要在这一微波背景辐射找到引力波的独特印记——光的B模式偏振。

  南极是地球上观测微波背景辐射的最佳地点之一。然而南极纬度太高,能看到的天区也是“犹抱琵琶半遮面”。至于北半球的最佳观测点,在格陵兰岛和我国西藏阿里地区。中国科学院高能物理研究所正在主导推动阿里CMB探测计划。该计划负责人张新民表示,阿里地区大气透射率高,水汽含量少,而和格陵兰岛相比,它已经具备了完善的台址条件,“西藏阿里建设望远镜,可见天区比格陵兰要大一倍,我们占了天时地利。”

  科学家期待着,在海拔5000多米的阿里,去破译“宇宙如何诞生”的密码。中科院高能物理研究所副研究员李虹介绍,该项目计划通过中美合作模式,领导建设北半球首台CMB望远镜,实现北天区首次CMB高灵敏探测。

  “现在能听到一个音符,我们将来会一首首地记录宇宙的交响乐。”苏萌如此展望。

  (科技日报北京2月13日电)


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