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探测"时空的涟漪"——解读2017诺贝尔物理学奖成果

2017-10-06 15:07 新华社

 

  10月3日,在瑞典斯德哥尔摩,获得2017年诺贝尔物理学奖的三名美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什、基普·索恩(从左至右)的照片在新闻发布会上展示。瑞典皇家科学院3日宣布,将2017年诺贝尔物理学奖授予美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩,以表彰他们为发现引力波作出的贡献。新华社发(石天晟 摄) 

  新华社北京10月3日电(记者胡丹丹黄堃)我们可以通过倾听声音来分辨乐器的种类和质地,物理学家也通过类似方式来研究宇宙。引力波就是这样一种“时空的涟漪”,它能被极为灵敏的探测器“听”到,向我们传递宇宙的信息。

  美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩获得2017年诺贝尔物理学奖,就是因为他们在“激光干涉引力波天文台”(LIGO)项目和发现引力波方面的贡献。

  首先,什么是引力波?

  根据爱因斯坦的相对论,时空是可以弯曲的,有质量的物体在其中运动,就会产生引力波。这就好比石头丢进水里会产生水波,引力波因此常被称作“时空的涟漪”。

  但普通物体产生的这种引力波极为微弱,连爱因斯坦自己也认为很可能无法观测到。事实上,LIGO项目所观测到的两个黑洞合并产生的引力波,在仪器中只引起了比原子核还要小得多的变化。

  爱因斯坦发表相对论百年来,许多预言,如水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,但引力波一直没有被探测到。因此,引力波又被称作广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。

  第二,如何探测到引力波?

  今年的获奖者创建和领导了LIGO项目,该项目有两个引力波探测器,分别建在相距3000公里的美国路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市。每个探测器有两个L型的长臂,每个“臂长”为4公里。

  这样巨大的实验装置,是为了通过长距离的激光干涉,尽可能放大引力波的影响。当源自遥远宇宙的引力波传到地球时,在实验装置中只会引起相当于原子核万分之一大小的变化。如此微弱的信号也能被这套装置探测到。研究人员认为,这是迄今最精密的科学测量设备。

  2015年9月14日,LIGO项目终于探测到来自于13亿年前一个双黑洞系统合并的引力波信号。随后,科学界又三次探测到了引力波。最后一次是在今年9月27日,美国和欧洲两个引力波项目组宣布,首次共同在8月14日探测到一次引力波事件。

  第三,引力波有什么用?

  引力波开启了人们认识宇宙的新途径。过去科学界探测宇宙,多是依靠光学望远镜、射电望远镜等手段,而引力波是与光不同的信息载体。

  通过分析引力波信号,我们可以判断出遥远宇宙中发生了什么。比如2015年的这次引力波事件,可以推断出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,相当于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,是宇宙中的一场巨变。

  引力波的波形特征与声波相似,这也是为什么科学家曾将其转换成声波,作为“宇宙的声音”播放出来。通过探测引力波来分析宇宙中的各种事件,就像根据乐器声波判断乐器的质地种类,以及乐手的演奏手法。

  首次发现引力波时,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。”

  至于引力波在实际生活中有什么应用,科学家说,包括时空旅行这样的科幻设想还早得很,而利用引力波的宇宙通信目前来看也很遥远。不过引力波的发现无疑打开了一扇新的大门,给未来增加了更多新的可能。

 
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