引力波发现者获诺贝尔奖,有什么重大意义?

引力波的发现和证实,为人类探测这段黑暗时期带来了曙光。科学家们认为,只要未来人类的探测装置足够精密,总有一天,人类能够探测到从宇宙大爆炸开始那一瞬间到38万年电磁波(光线)出现前,这段黑暗时期的全部情况,人类将进一步了解宇宙的起源和变化过程。

引力波是本世纪证实存在的最重要科学事件,一度时期成为媒体热炒,弄得一些民科混子也趁机从中作乱,甚至有那么一个人宣称自己发现了引力波,是在荒唐可笑。看到许多网络朋友对引力波还是一知半解,今天我们就来普及一下引力波的常识。

  • 引力波是什么

引力波是爱因斯坦100年前,在广义相对论中的一个预言。广义相对论认为,只要是非零质量的物体,都会导致时空弯曲,这种弯曲会形成一个向外无限延伸的“场”,所有物体包括光都只能在这弯曲的时空中沿着短程线运动,时空弯曲的效果就是以引力的方式表现出来。

这样,牛顿经典力学的万有引力理论就得到了一次质的升华,从根源上解释了引力是怎么来的。根据时空弯曲理论,任何物质,只要有质量而不管其大小,都会对周边时空造成弯曲。

这些物质运动的变化,就会对周围时空造成扰动,形成像一块石头丢进水里那种一圈圈波纹,向远方扩散,这就是引力波,又叫时空涟漪。

这种波不是瞬时传递的,而是以光速传播。

那么既然在我们周围遍布物质,这些物质都在不停地运动和变化,就会造成引力波,那什么爱因斯坦的预言提出100多年来,科学家们穷尽各种办法,一直没有检测到引力波的存在呢?这是因为:

  • 引力波是十分微弱的波,很难检测到。

引力是四种基本力中最小的力,引力常量只有6.67*10^-11N,也就是两个1公斤物质质心距离1米时的引力值。引力的这种特点,导致小质量物体产生的引力波就很难探测出来,如我们两个人,或一架飞机、一座山的引力,我们根本无法感觉到。

因此,并非是小天体不发出引力波,而是难以探测而已。

上个世纪七十年代,美国麻省大学泰勒教授和他的学生赫尔斯,通过观察双中子星相互缠绕的现象,用爱因斯坦的理论精确精确计算出量颗中子星轨道变化,从而间接证实了引力波的存在。由此他们获得了1993年诺贝尔物理学奖,但引力波存在的直接证据一直没有得到。

直到2016年2月11日,一组美国科学家宣布,他们探测到了引力波的存在。这个发现被科学界认为完成了爱因斯坦广义相对论预言中最后一块缺失的“拼图”。之前爱因斯坦广义相对论预言的光线弯曲、水星近日点进动、引力红移效应及引力透镜、黑洞、宇宙微博背景辐射等,都被一一证实,只缺了这一块。

这是一个具有里程碑意义的发现,由此将对未来宇宙天文学的发展和宇宙观测,具有不可估量的突破性意义。为此,三位发现者雷纳·韦斯( Rainer Weiss)、基普·索恩( Kip Thorne)、巴里·巴里什(Barry Barish)共同被授予了2017年诺贝尔物理学奖。

  • 引力波探测的进展

最早尝试探测引力波的是美国物理学家约瑟夫·韦伯,他设计制造了一个共振棒探测器,其核心部件是一根长2米直径0.5米的铝棒,原理是当引力波到达地球时,会交错挤压拉伸铝棒的两端。但前提是引力波频率必须和铝棒设计频率一致,这种探测局限性是很大的,探测到微弱的引力波几乎是不可能的。

虽然韦伯声称探测到了引力波,但一直存在争议,没有得到科学界认定。1972年,科学家们在麻省理工学院召开了一次引力波研讨会,有两位科学家,一位叫托尼·泰森,一位叫理查德·高文,他们都宣称韦伯的发现不存在,并指出其中的某些错误。

尤其是高文,固执的不信任韦伯,韦伯异常沮丧,两人的争执越来越厉害,竟发展到准备拳脚相向。正要开打时,主持会议的菲利普·莫里森教授一瘸一拐地走过来,举起拐杖将他们分开,这场争执才不了了之。

韦伯的探测成果虽然未得到承认,但他毕竟开了探测引力波之先河,由此激发了许多年轻科学家们探测的兴趣,人们在他共振探测器基础上,发明了基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波激光干涉仪探测方案,这样引力波感应壁就是激光了,这样将韦伯探测器的频率局限拉宽了很多,臂长也拉到千米级以上。

这样,引力波探测频率和精度都得到了很大提高。人类首次直接探测到引力波存在的设备,是一台叫“激光干涉引力波天文台”的设备,简称LIGO。2015年12月26日世界时间凌晨3点38分53秒,LIGO首次探测到一个引力波信号,虽然这个信号只将这个探测器4公里长臂移动了一个质子直径万分之一的尺度,却被敏感的捕捉到了。

质子的直径约1.6*10^-15米,这个尺度多大呢?我们用人的头发来比喻比较直观:人的头发最粗可以达到100微米,是质子直径的625亿倍。而这次引力波对探测器4公里长臂的振动干扰,只偏移了一根头发丝的625万亿分之一。

这就是现代科学能达到的高度,而且这种高度还在提升。

据欧洲航天局宣称,计划建造的空间引力波项目eLISA(演化激光干涉空间天线),是发射三颗卫星,将三个相同的探测器激光干涉臂延伸到500万公里长,三颗卫星构成一个边长为500万公里的等边三角形。使用这样的激光干涉法来探测引力波,精度将大大提升。

中国也在筹建类似eLISA引力波空间探测项目,是由中山大学罗俊院士领衔的“天琴计划”,将在地球上空10万公里轨道,设置三个卫星,形成等边三角形,间距在10万公里之上的引力波探测激光干涉臂。

从这些发展迅速的引力波探测装置来看,上世纪之所以无法直接证实引力波的存在,是因为引力波的能量太微弱了,那时的设备精度无法感受这种微弱振动。而在未来,将探测到越来越小的引力波。

  • 为啥黑洞碰撞发生的引力波常被探测到

黑洞是宇宙中的顶级极端天体,一是质量大,最小的黑洞也有3个太阳质量以上;二是引力极端,在其史瓦西半径内,任何物质都无法逃逸,连光也不例外;三是角动量大,被黑洞强大吸引力捕捉的天体和物质,在其附近都被撕碎,然后围绕着黑洞旋转,临近黑洞事件视界(史瓦西半径临界点)时,线速度可达每秒数千公里甚至数万公里,有时接近光速。

这样的黑洞碰撞,爆发出的能量和引力波当然就更强大更容易被监测到了。自从发现了引力波,证明黑洞相撞的引力波是最强大的,其次才是中子星的引力波。当然,在地球上探测到的引力波能量,与引力波源与我们的距离成反比,也就是距离越近探测到的能量相对越大。

人类首次探测到并证实引力波存在的是两个黑洞相撞,科学家们估计这两个黑洞质量分别在36个和29个太阳这么大,合并后的总质量约62个太阳,另外损失的3个太阳质量转化为引力波向太空扩散了。这个引力波能量是巨大的,会迸发出强烈的伽马射线和数万亿度的高温。

但这两个黑洞相撞事件距离我们太远了,有13亿光年。这样巨大的引力波经历了13亿年的传输,到达地球的时空涟漪,就只推动了探测仪器4公里长臂移动1个质子直径的万分之一尺度。

  • 除了黑洞,人类探测到的引力波源发自中子星。

2017年10月16日,世界许多国家的科学家同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波。这次与以往不同的是,许多科研机构通过各种望远镜同时“看到”这一壮观的宇宙事件发出的电磁信号。这次的发现,更加证实了引力波运动速度与光速的一致性。

这次碰撞发生在距离我们1.3亿光年的深空,也就是说引力波经历了1.3亿年才传送到了我们地球。据科学家估计,这次碰撞,产生了约300个地球质量的黄金,还产生了铂、汞、铀等大量重金属。碰撞产生了强烈的伽马射线暴,达到2万亿度高温。

我们地球上的黄金等贵重金属,都是宇宙中这种极端事件中产生的,地球本身生成不了任何重元素。

2019年,LIGO又探测到了两颗中子星相撞事件,这次发现是静悄悄的,没有哪个科学机构观测到电磁信号。但这次对中子星的质量以及碰撞后合并的质量有了新发现,人们发现这次碰撞的两颗中子星质量合计达到太阳的3.4倍,比以往在银河系发现的任何中子星双星质量都要大。

由此可见,引力波的能量除了黑洞相撞,就是中子星相撞。到现在为止,还没有发现其他宇宙事件的引力波。当然超新星爆发也会产生能量较大的引力波,我想未来也很容易探测到。

  • 发现引力波的意义和重要作用

前面说了,引力波发现将对天文宇宙学发展以及宇宙探索有着重大突破性意义。为什么这么说呢?这是因为引力波探测将弥补电磁波和光学探测的不足,可以探测宇宙更远更深入的情况。

我们知道,在宇宙中存在的四种基本力中,引力和电磁力作用范围都是无限远。光学和各种射电、射线都属于电磁力范畴,理论上虽然可以探测无限远,但光电探测有一个致命弱点,就是会被物质所吸收和遮挡。而宇宙中充满了尘埃和各种天体,因此,远方天体很容易被遮挡住,就很难探测到,或者难以探测得很清楚。

根据大爆炸宇宙模型,在宇宙大爆炸开始,到38万年之间这个时间段,宇宙处于极端高温高密度状态,这段时间电磁波是被屏蔽的,无法溢出,也就是各种波段的光都被禁锢宇宙一锅浓密的粒子汤里面,对人类来说是伸手不见五指的黑暗时期。

而宇宙在这38万年间,发生了巨大变化,经历了普朗克时间的普朗克温度,也就是大爆炸开始10^-43秒时,宇宙温度为10^32K,大小只有10^-35米的尺度。以后又在10^-35秒时,发生了仅持续10^-33秒时间的暴涨,在这短短一瞬宇宙膨胀发生了100次加倍,也就是体积瞬间增加了10^30倍。

宇宙的四种基本力、各种粒子、电子、中子、质子、一直到中性原子生成的过程,都在这段时间里。那么,这一切是怎么发生的,是不是符合模型预测,如果只是依靠电磁波和可见光来探测,人类就永远也无法知晓。

因此,在没发现引力波之前,人们把这段时期的宇宙叫“过去视界”,与可观测宇宙之外的“未来视界”,是人类两个无法探知的禁区。

引力波的发现和证实,为人类探测这段黑暗时期带来了曙光。科学家们认为,只要未来人类的探测装置足够精密,总有一天,人类能够探测到从宇宙大爆炸开始那一瞬间到38万年电磁波(光线)出现前,这段黑暗时期的全部情况,人类将进一步了解宇宙的起源和变化过程。

虽然人类可能永远也无法知道“未来视界”的情况,但通过对宇宙起源到现在的走向,基本就可以更精确地推测出宇宙的归宿了。

因此,引力波的发现和证实,是人类在天文宇宙探测方面一个最伟大的进步,也是爱因斯坦对人类贡献一个新的里程碑。

看了这些科普介绍,不知道各位朋友是不是对引力波有了一些更清晰的理解?欢迎讨论,感谢阅读。

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