引力波：一百年的梦

科普小知识 2022-07-12 11:19:16

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谣言是真的。经过十几年的搜索和几个月的计算，LIGO大学的研究人员表示，他们发现了引力波的证据。这个信号来自离地球4亿秒(13亿光年)的两个黑洞的碰撞。

“这就像科学史上的“登月计划”——我们做到了，我们登上了月球。”2月11日，物理学家、LIGO实验室执行主任大卫·雷茨在华盛顿的新闻发布会上宣布。

LIGO是由美国领导的两个引力波探测器。观察站位于华盛顿的汉福德和路易斯安那的利文斯顿。来自10多个国家的1000多名科学家参与了对引力波的搜索。最近，《自然》杂志通过图片解释了追踪这个物理学中最神秘的“猎物”的历史过程。

1916年，在系统阐述了他的广义相对论之后，阿尔伯特·爱因斯坦思考了当一个天体晃动时会发生什么。广义相对论认为引力是围绕一个巨大天体的时空扭曲。相对论发表后的第二年，他指出了这个问题的答案，认为时空会产生涟漪，形成“引力波”，并以光速向外传播，以天体为核心。他和其他物理学家立即开始争论:预测的引力波是否存在，或者它是否仅仅是由新的数学推理的结果引起的一种人为现象。爱因斯坦自己也几次改变了他的立场。

"爱因斯坦终于成功了。"物理学家、LIGO的创始人之一基普·索恩说，LIGO发现了空间和时间的涟漪。他说这个理论有助于确定爱因斯坦的广义相对论。

马里兰大学城市学院的物理学家约瑟夫·韦伯认为引力波确实存在。1969年，他宣布他用自己发明的探测器发现了引力波--一个长约两米、宽约一米的铝圆柱体。当探测器被引力波击中时，会产生“振铃效应”。然而，他的研究结果没有被复制，结果最终遭到了除他之外几乎所有物理学家的反对。然而，他的研究吸引了许多研究人员加入引力波探测的行列。

麻省大学阿姆赫斯特分校的约瑟夫·泰勒和他的研究生拉塞尔·霍尔斯发现了一个更广为人知的发现。两人在1974年发现了第一颗脉冲双星，并将其命名为PSR B1913+16。它由两颗在近距离轨道上相互作用的中子星组成，它们以爱因斯坦理论预测的精确速度向内螺旋运动，这表明引力波可能带走了它们的能量。这一发现被认为是观察引力波的间接证据，霍尔斯和泰勒因“新脉冲星类型的发现也为引力波研究开辟了新的可能性”而获得1993年诺贝尔物理学奖

当麻省理工学院和加州理工学院的科学家提交计划，用激光干涉测量法寻找引力波的大型探测器时，许多研究人员表示强烈反对。他们担心这个项目可能会从其他研究中挪用大量资金，而他们可能什么也得不到。然而，美国国家科学基金会仍然在1990年批准了LIGO的建设，并在1992年为实验的“双”探测器选择了地点，即华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿。相关设施于1999年完工，数据收集于2001年开始。2010年，在探测器因升级而关闭之前，没有发现任何线索。

2014年，南极天文台BICEP2团队声称发现了引力波的另一种证据。BICEP2研究人员称，他们已经发现了“B模式”——一种来自大爆炸后产生的“原始”引力波的微弱微波信号。但是相关分析后来被证明是错误的:这个信号是太阳系中星际尘埃粒子形成的产物。

经过大规模升级后，LIGO在2015年9月开始了第一次观测。与升级前相比，LIGO有能力在更大的宇宙中搜寻引力波。今年1月，更先进的LIGO完成了它的第一次观察任务。

2月11日，LIGO科学家宣布首次直接观测到引力波。

据报道，2015年9月14日中午之前，德国汉诺威马克斯·普朗克重力物理研究所LIGO小组的科学家们注意到一个奇怪的信号:一种类似于鸟的啁啾声的声波，并且音调迅速增加。科学家已经预测了这个信号可能会如何出现。

在即将发表在《物理评论》杂志上的一项新研究中，科学家们表示，他们检测到的是一个非常短时间的引力波信号，它是由黑洞合并产生的，后来被命名为GW150914，持续时间不到1秒。经过13亿年的漫长旅程，它于当天抵达地球，并被两个刚刚升级的LIGO探测器连续捕获，时差为7毫秒。

据研究人员估计，合并前两个黑洞的质量分别相当于36和29个太阳质量，合并后的总质量为62个太阳质量。三个太阳质量的能量在不到1秒钟内以引力波的形式释放，释放的峰值能量大约是整个可见宇宙能量的50倍。

"这是一个新时代的开始。"LIGO发言人兼路易斯安那州立大学物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯说。她说这个发现只是开始。目前，两个LIGO观测站正在开展相关工作，目的是提高两个探测器的观测能力，并在新的观测开始之前(可能在今年夏天)探测更多的引力波信号。(李冯公主)

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