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科学家将通过“先进处女座”引力波天文台实验搜寻引力波

时间:2017年03月05日 14:25 | 标签:宇宙奥秘

科学家将通过“先进处女座”引力波天文台实验搜寻引力波 宇宙奥秘 第1张图

科学家将通过“先进处女座”引力波天文台实验搜寻引力波 宇宙奥秘 第2张图

美国先进的激光干涉引力波天文台将对经过的引力波进行探测

在意大利比萨附近,科学家将通过“先进处女座”引力波天文台实验搜寻引力波,一旦首次直接观测到引力波,将证明爱因斯坦的广义相对论是完全正确的。

在意大利城郊距离比萨不远的地方,马上将上演一场大型实验活动。如果实验取得成功,科学家将能首次直接观测引力波,并证实阿尔伯特-爱因斯坦的伟大预言。如果实验失败,那么科学家将需要重新审视物理学定律。此次“先进处女座”引力波天文台实验将搜寻宇宙中最难以捕捉的天体物理现象。作为“先进处女座”项目的国际研究小组成员之一,比萨大学科学家弗朗哥-弗拉斯科尼博士表示:“或许我们有机会在地球上首次探测到引力波,如果实验成功,那将证明爱因斯坦一百年前的预言是完全正确的。”

1915年11月25日,阿尔伯特-爱因斯坦向普鲁士科学院提交了场方程的最终版本,这些场方程支撑了他的广义相对论。广义相对论是现代物理学的支柱,完全改变了我们对空间、时间和引力的看法和理解。通过广义相对论,人类已对宇宙空间有了深入了解,从宇宙扩张到行星运动以及黑洞存在等等。然而,爱因斯坦还提出了引力波的存在,其核心是扭曲时空结构的能量纹波,它类似于向池塘中扔石头后水面荡漾开的涟漪。任何有质量的物体只要运动,就会产生引力波。人类更是如此。物体质量越大,运动越剧烈,产生的引力波就越大。爱因斯坦预言,整个宇宙都沉浸于引力波中。

尽管天文学家能间接证明引力波的存在,但是直接观测到这些宇宙奇观目前还是一件不可能的事。伦敦帝国学院物理学家托比-威斯曼博士解释说:“目前我们还无法直接观测到引力波,对于这一点我不觉得有什么奇怪。事实上,引力是所有力中最微弱的一种,即使是巨大的天体物理源发出的引力波也极其微弱。”如今,科学家希望在意大利观测到引力波,虽然道路艰辛。“先进处女座”实验项目的前身可追溯到2007年,那次实验未有任何发现。同样,美国的激光干涉引力波天文台也未观测到任何引力波。

最近,两个引力波天文台的干涉仪都进行了价格高昂的升级,研究小组希望仪器灵敏度的重大改进能够助他们一臂之力。弗拉斯科尼博士解释说:“这种可以探测引力波的科技手段也是最新研发出来的。在过去的10年中,我们进行了大量复杂的科学研究,如今才打造出这种干涉仪。”科学家希望观测到来自诸如恒星爆炸或黑洞碰撞等剧烈宇宙事件发射的引力波,以及引力波经过地球时产生的微小变形。“先进处女座”引力波天文台由两根相同的3公里长管道组成,两根管道按L形铺就。在天文台中发射一束激光,之后激光一分为二,分别顺两根管道发射出去,在碰到管道末端的镜面后再反射回来,如此反复多次反射后重新结合。整个过程显得有点复杂,它利用了激光的一个属性,即激光是一束密集的光,而光又是一种波。想像一下,当海洋中的两个波相互碰撞,一个处于顶部,一个处于底部,这两个波就会相互抵消。实验中也会发生同样情况。如果这两个光波沿管道运行的距离相同,那么它们就会相互抵消,不会产生信号。然而,如果一个引力波穿过管道,它会令周边发生细微的变形,微量改变管道的长度,量级仅相当于原子直径的一小段。波在时空中运动的方式意味着,一根管道会被拉伸,而另一根会被压缩,结果导致一束激光运行的距离略长,而另一束激光运行的距离略短。最后的结果是,当一分为二的光束会以一种不同的方式再次结合:光波会相互干涉,而不是相互抵消,这样一来科学家就可以探测到信号。

为了成功进行实验,科学家做了大量工作以确保实验不受地球上各种声音干扰,从交通噪音到地震。弗拉斯科尼博士表示:“试想打造一个不受任何可能噪音影响的机器有多么艰难。这个引力波天文台是直接固定在地面上的,而地面是会发生震颤的。科学家面临的最大挑战就是如何保持镜面不受丝毫影响,为此耗费相当长时间研发多级钟摆将镜面从地震噪音中隔绝开来。然而,仅意大利一个信号还是不够。如果“先进处女座”观测到引力波,那么美国先进的激光干涉引力波天文台也应该观测到这个信号。如此一来,德国引力波观测实验或许也能观测到这个信号。

目前,先进的激光干涉引力波天文台已搭建起来并正常运作,科学家希望“先进处女座”引力波天文台能于今年底准备就绪。研究项目合作小组对于实验成功信心百倍,他们预言2017年1月1日将是取得破冰进展的一个日子。弗拉斯科尼博士也表示很有信心并称:“目前,最为关键的就是首次在地球上探测到引力波,否则我们将无法对宇宙的剩余部分有正确了解。”科学家指出,如果未探测到引力波,说明实验还需重新进行设计。最极端的情况是,物理学家或许应该重新思考宇宙的运作模式。然而,一旦直接观测到引力波,就将意味着打开人类了解宇宙的新窗口。伦敦帝国学院物理学家托比-威斯曼博士解释说:“观测到引力波将确证我们对广义相对论的理解。我们有理由相信,宇宙中存在引力波,但是只有在时空中直接观测到这些能量纹波时,才能确信我们理解了广义相对论。引力波的观测不但有助于我们通过新方法验证广义相对论,还为我们提供了新的手段,以对宇宙中其它奇妙物体进行观测。”


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