文档介绍：《引力波的实验探测给我们的启示》
摘要:
引力理论的发展经历了数百年,从牛顿到爱因斯坦,从万有引力定律到广义相对论。在这过程中,科学家们引力波的预言质疑不休、争论不止。而引力波的实验探测无疑证明了一切。引力波的发现,弥补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞,也确定了他的理论的正确。这是人类史上出现的又一契机,它将为人类社会带来重大变革。
“破五”是中国传统迎财神的日子。2016年的这一天,却一个让全世界物理学界沸腾的日子,甚至许多的物理学家为之痛哭流涕——被预言已经百年的引力波,终于被探测到了。
引力是什么?在今天人们所知道的物质的四种基本相互作用中,引力作用为最弱。四种相互作用按作用强度比例顺序是:强相互作用(1),电磁相互作用(10),弱相互作用(10),引力相互作用(10)。因此,在研究基本粒子的运动时,引力一般略去不计。但在天文学领域内,由于涉及的对象的质量极其巨大,引力就成为不仅支配着天体的运动,而且往往是天体的结构和演化的决定因素。引力并不是一种所谓的“力”,而是一种属性。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首次提出万有引力定律,基于此,他结识了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象,并根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。万有引力定律出现后,才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上,从而创立了天体力学。简单的说,质量越大的东西
产生的引力越大,地球的质量产生的引力足够把地球上的东西全部抓牢。1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,突破了绝对时间和绝对空间的概念,否定了瞬时超距作用,从根本上动摇了建立在这些旧观念基础上的牛顿引力理论。经过十年的探索后,爱因斯坦于1915年提出了迄今为止最成功的近代引力理论——广义相对论。
广义相对论中,引力被归咎于时空的弯曲。这种弯曲是由物质造成的,物质的质量越大,所形成的扭曲也就越严重。但是这种弯曲,对于人类来说根本感知不到,一是因为人类伴随这种弯曲一起弯曲了,而是由于这种弯曲太微小。大质量物体发生的扭曲引起了震动,而这种震动,就是引力波。科学家们通过探测这种时空震荡,来证实引力波的存在。早在1916年,爱因斯坦在广义相对论中就预言了引力波的存在。而科学家们普遍认为,这次LIGO这一发现是爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”,证实了爱因斯坦广义相对论的正确性,弥补了爱因斯坦的广义相对论的漏洞,验证了已故科学家爱因斯坦的预言。
探测的仪器叫做迈克尔逊干涉仪,或是LIGO。LIGO的“两条腿”都有4千米长,最近的一次升级就花去了几十亿美元。LIGO的原理是什么?简单来说是利用光速不变,在同样的直线路程里测试耗时,而通过时间的偏差(尽最大可能排除误差,也是耗资巨大的原因)来判定空间确实存在震动。这样的实验设置基于爱因斯坦的假设:光速不变,是因为以光的视角看,它沿途经过的空间发生了折叠伸缩。可能的引力波探测源包括致密双星系统(白矮星,中子星和黑洞)。在2016年2月11日,LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器,首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。
在过去的数十年里,许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在进行了大量研究。其中,泰勒和赫尔斯由于第一次得到引力波存在的间接证据荣获
1993年诺贝尔物理学奖。到目前为止,类似的双中子星系统已经发现了近十个,但是双黑洞系统却是首次。在实验方面,第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯。虽然他的共振棒探测器最后没能找到引力波,但是韦伯开创了引力波实验科学的先河,为如今的硕果打下了基础。因为在地面上很容易受到干扰,所以物理学家们也在向太空进军。欧洲的空间引力波项目eLISA(演化激光干涉空间天线)。eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角形,同样使用激光干涉法来探测引力波。此项目已经欧洲空间局通过批准,正式立项,目前处于设计阶段,计划于2034年发射运行。作为先导项目,两颗测试卫星已经于2015年12月3日发射成功,目前正在调试之中。中国的科研人员,在积极参与目前的国际合作之外之外,也在筹建自己的引力波探测项目。
引力波的实验探测引起了世界范围的轰动,这些探测极其不易,宇宙中发生爆炸性的大事件时产生的引力波,才相对容易探测到,例如黑洞合并、星系合并、超新星爆炸等。100年前,爱因斯坦在预言引力波存在时就曾说:“这些数值是如此微小,她们不会对任何的东西产生显著的作用,没人能够去测量它们。”蔡一夫给出解释:“时间发生得越早,距离越远,越会在宇宙中传播期间被红移。红移指的是由于宇宙本身的膨胀将所有的波动的波长拉直拉平,这样其波动性就难以被探测到。例如,这次LIGO探测到的引力波,是13亿年以前两个大约30个太阳质量的黑洞并合所产生的引力波,振幅之小