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毫无悬念!引力波拿下诺贝尔物理学奖
2017-10-04 07:13:36 杭州网

    再看一遍《星际穿越》吧,获奖的科学家早就普及过黑洞和引力波了

    北京时间10月3日18点,当瑞典皇家科学院秘书长斯塔凡·诺马克(Staffan Normark)用瑞典语第一遍(第二遍用英语)宣布2017年诺奖物理学奖时,全世界大部分听不懂瑞典语的科学爱好者,都已雀跃:因为单词“LIGO”,大家听懂了——

    今年的物理学诺奖授予“LIGO科学合作组织”的三位主要成员雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry Barish)、基普·索恩(Kip Thorne),以表彰他们探测到了引力波。

    引力波怎么产生的?

    用《泰坦尼克号》来打个比方

    这不是我们第一次介绍引力波了,先来重温一下电影《泰坦尼克号》里经典的一幕:男女主角随着风笛声共舞,跳到高潮处,杰克和露丝手拉着手飞速旋转起来。

    从物理学的角度看——杰克和露丝之所以会互相吸引,除了爱,还因为质量。

    根据爱因斯坦的广义相对论,有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲,质量越大,时空就扭曲得越厉害。

    科学家做过一个很简单的模拟实验:在一张橡胶膜上,放一个“露丝球”,她的质量会把橡胶膜往下压;再在近旁放一个“杰克球”——你会看到,“露丝”和“杰克”分别造成了膜的变形,也就是时空弯曲,让他俩逐渐“滚”向对方,并亲密接触。

    当“杰克球”和“露丝球”加速跳起转圈舞时,周围的时空正在起伏、翻滚、震颤……这种变化,以波的形式向外传播,就是“引力波”。

    一旦找到合适的引力波

    大爆炸理论也有了有力证据

    在十几亿年前的宇宙时空中,也在发生同样的“爱情”,主角们是黑洞。

    截至目前,人类分别在2015年9月、2015年12月、2017年1月和2017年8月完成了四次引力波的观测。

    钱报记者专访了中国科学院上海天文台的科学家刘庆会,解读最近的一次探测:

    18亿光年外,有两个巨大的黑洞(质量分别相当于大约31个和25个太阳),处于足够近的距离。

    它们开始相互缠绕、旋转,当靠得非常接近、将要合并在一起的那个瞬间,彼此损失的能量(相当于3个太阳质量)以引力波的形式释放,在宇宙泛起一波涟漪。那一刻,整个宇宙中所有其他天体释放功率的总和都及不上它。

    上帝给这个瞬间拍了快照,以光速在宇宙传递。这张照片,被2017年、距离18亿光年以外的地球人类接收到。

    这张“照片”,能帮我们洞悉整个宇宙的起源。引力波的存在一经证实,我们将以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。而一旦寻找到合适的引力波,人们将能够为大爆炸理论和宇宙膨胀理论找到有力的证据。

    靠三台巨大的“圆规”

    能更精确定位引力波位置

    在宣布引力波获得今年诺奖物理学奖之后,诺奖委员会接通了获奖者之一、麻省理工学院教授雷纳·韦斯先生的电话。

    20世纪90年代,雷纳·韦斯想到了一个绝妙的点子:用激光的干涉来测量引力波。

    这个点子引来了加州理工的著名引力学家基普·索恩(Kip S. Thorne)的关注。于是,加州理工和麻省理工开展合作,主导了两个激光干涉引力波观测台(LIGO)的建设。LIGO长得像一个巨大的圆规,每一边的长度都有4000米。两个观测台一个在华盛顿州,一个在路易斯安那州,相距3000公里。

    LIGO团队探测到一次引力波事件之后,意大利Virgo引力波天文台加入合作。就在2017年8月14日,科学家再次探测到引力波,这也是人类第一次使用三角定位法,比较准确地确定了引力波事件发生的位置,之前三次都只能在太空中模糊地指定一片弧形区域。

    这样一来,科学家就可以使用可见光望远镜、伽马射线望远镜、X射线望远镜、中微子天文台等更多观测,来观察引力波事件发生的区域。如果能发现光或者其他形式的信号,无疑会再次刷新对宇宙的认知。

    今年的诺奖得主

    在电影里就让大家见过黑洞了

    引力波或许并没有那么高深。“事实上,引力波的频率,是可以被人耳听到的。”刘庆会说。

    2015年12月26日,LIGO项目组在新闻发布会上播放了那段捕捉到的宇宙“声音”——无数人通过直播听到了,在一点嘈杂之后,短促又俏皮的“噗”一声。

    浙大力学系副教授李铁风还设计过一个非常简单的类比实验,让你“看一看”引力波——只需要拿起一个苹果,往平整的床单上一滚,床单会产生一个连贯的褶皱印记,“如果床单是宇宙时空,那些痕迹就是‘引力波’”。

    甚至黑洞,我们也已经“见过”。

    今年诺奖物理学奖的获奖者之一基普·索恩先生,还有另外一个更广为人知的身份——《星际穿越》的科学顾问兼制片人。

    解析这部电影时,他曾经描述过,当人类近距离接近黑洞,可能会有的视觉体验:《星际穿越》中,男主角仰面掉入黑洞时,有那么一个短暂的瞬间,他看见整个宇宙的星光都被压缩变小,束缚在一个圆形的圈里,圈的周围是盘状结构,以外只剩下无限的漆黑。

    刘庆会说,宇宙中能产生引力波的组合不只是黑洞和黑洞,还可以是黑洞加中子星,也可以是两个中子星合并,或者两个白矮星组合也可以产生引力波。“这都将是未来引力波探测领域的重大突破。”

    新华社发

来源:钱江晚报    作者:记者 章咪佳    编辑:陈俊男    
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