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打开宇宙时空弯曲的大门(科技大观)

2016-02-23 14:45 来源: 人民网-人民日报  

  最近,引力波成为全球科技热词。自美国国家科学基金会与来自加州理工大学、麻省理工学院以及“激光干涉引力波天文台”(LIGO)合作组织2月12日宣布首次直接探测到引力波的消息以来,全世界特别是科学家们为之兴奋不已。英国物理学家、黑洞理论家斯蒂芬·霍金认为,引力波可以提供一种全新的方式来观测宇宙,而且可以彻底改变天文学。

  LIGO的两台探测器相继测到,来自13亿光年之外的两个黑洞的绕转并合。这一重大发现,证实了爱因斯坦1915年广义相对论关于引力波的预言。100多年前,爱因斯坦革新了牛顿的引力理论和绝对时空观,创造性地提出了时间和空间互为一体、二者不可分割的理论。他认为引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲,引力波则是时空的扰动以波动形式的向外传播。

  如果说机械波、电磁波都是在时空这个“舞台”上传播的,那么,引力波就像是“舞台”本身的波动。时空是一个“很硬”的结构,要想改变它非常困难。如果把时空比作一个弹簧,需要很大的能量才能将它压缩或拉伸一点点。如若想在地球上测量到引力波,需要把测量距离的精度提高到原子核大小的千分之一。如果把地球到太阳之间的距离当作探测器的长度,需要测量的距离变化也不过头发丝的十万分之一。

  自1916年德国天文学家史瓦西发现广义相对论一个有趣的数学解之后,黑洞便成为物理、数学、天文、计算机数值模拟等领域的热门课题。这次探测到的引力波信号来源于两个黑洞碰撞并合,并最终形成一个自转的黑洞。它不仅仅验证了广义相对论对于引力波的预言,也第一次直接证实了黑洞的真实存在。黑洞和双黑洞系统的证实,为天文学、宇宙学观测中的许多理论和现象提供了坚实的支持。

  引力波探测除了可以回答人类关心的基本科学问题外,还可催生出一大批新的交叉学科研究领域,甚至新应用、新技术。例如,此次探测到的引力波信号类似于“啁啾”,这类“啁啾”同样会在雷达、声呐、激光脉冲和其他环境中出现,这些学科领域已经开始使用LIGO开发的数据处理程序。再例如,LIGO的复杂光学系统处于4千米长的真空管中,这是地球上规模最大、最纯净的真空系统,需要攻克一系列工程和技术难题。同时,LIGO的光学系统需要非常小的光路损耗,这一需求催生了测量光学损耗的技术。

  类似应用的例子还有很多,如激光雷达、焊接、切割、钻孔等。LIGO使用的石英玻璃纤维、四级摆悬挂系统、主动“测量—抵消”策略等,都是最先进的材料与技术的结合。总之,由引力波探测衍生的种种高新技术,未来都将得到越来越多的应用。

  《人民日报》( 2016年02月22日22版)

 编辑:[ 穆好强 ]
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