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引力波:爱因斯坦放出的“百年传言”最终成真

  传言是真的。经过十多年的探寻与数月的推算之后,激光干涉引力波天文台(LIGO)的研究人员表示,他们已经发现了引力波存在的证据。信号来自于距离地球400百万秒差距(13亿光年)的两个黑洞的碰撞。

  “这就像科学史上的一次‘登月计划’——我们做到了,我们登上了‘月球’。”物理学家、LIGO实验室执行主任戴维·赖茨2月11日在美国华盛顿举行的新闻发布会上宣布。

  LIGO是由美国主导建设的两个引力波探测器,观测台站分别坐落于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿,10多个国家超过1000名科学家参与了这个搜寻引力波的项目。近日,《自然》杂志通过图片形式阐释了追踪物理学上这一最神秘“猎物”的历史进程。

  1916年,在系统阐述其广义相对论(该理论认为引力是大质量天体周围发生的时空扭曲)之后,阿尔伯特·爱因斯坦思考的一个问题是,当一个天体晃动时会发生什么。相对论发表第二年,他指出了该问题的答案,认为时空会产生涟漪,形成“引力波”,并以该天体为核心以光速向外扩散。他和其他物理学家随即开始了争论:预测的引力波是否存在,或者它仅是新数学推论结果造成的人为现象。爱因斯坦本人也曾先后若干次改变立场。

  “爱因斯坦最终成功了。”LIGO创始人之一、物理学家Kip Thorne在谈及LIGO发现时空涟漪时如是说,他表示该理论为确定爱因斯坦的广义相对论提供了帮助。

  马里兰大学学院市分校物理学家约瑟夫·韦伯认为,引力波确实存在。1969年,他宣布用自己发明的一个探测器—— 一个约两米长、直径约1米宽的铝制圆柱体——发现了引力波,当该探测器受到引力波撞击时会产生“振铃效应”。然而,他的研究结果却未能得到复制,而且该结果最终除了其本人以外,几乎遭到了所有物理学家的反对。尽管如此,他的研究依然吸引了很多研究人员加入到引力波探测的队列之中。

  得到更加广泛认可的一项发现来自于马萨诸塞大学阿默斯特分校的约瑟夫·泰勒及其研究生罗素·赫尔斯。两人于1974年发现了首颗脉冲双星,并将其命名为PSR B1913+16。它由在近距离轨道上相互作用的两颗中子星构成,而且它们在以爱因斯坦理论预测的精确速率向内呈螺旋状运行——表明引力波可能在带走它们的能量。这一发现被认为是观察到引力波的间接证据,并让赫尔斯和泰勒摘得1993年的诺贝尔物理学奖桂冠,其获奖原因是:“因为发现了新的脉冲星种类,该发现还开启了引力波研究的新可能性。”

  当麻省理工学院和加州理工学院的科学家递交了利用激光干涉测量技术寻找引力波的大型探测器计划后,很多研究人员表示强烈反对。他们担心该项目可能会分走对其他研究的大量资助,而且还可能会一无所获。但是美国国家科学基金会(NSF)在1990年依然批准建设LIGO,并在1992年为该实验的“双胞胎”探测器进行了选址,即华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿。相关设施于1999年竣工,并从2001年开始收集数据。2010年,在该探测器因为升级原因关停之前,尚未发现任何线索。

  2014年,南极天文台BICEP2合作团队宣称,发现引力波存在的一种不同证据。BICEP2研究人员表示,他们发现了“B模式”——由宇宙大爆炸后产生的“原初”引力波发出的微弱微波信号。但是相关分析随后被证明是错误的:该信号是太阳系星际尘埃粒子形成的产物。

  经过大规模升级后的LIGO在2015年9月开始首次观测,与未升级之前相比,它具有在更大宇宙范围内探寻引力波的能力。今年1月,更加先进的LIGO完成了首轮观测任务。

  近日,来自LIGO团队的科学家宣布,首次直接观测到引力波。
  据介绍,在2015年9月14日正午前,位于德国汉诺威马普学会引力物理研究所LIGO团队的科学家注意到一个奇怪的信号:类似一只鸟儿的啁啾声,且螺距迅速递增的一种声波。科学家曾就这个信号可能如何出现进行过预测。

  在即将发表于《物理学评论通讯》的新研究中,科学家表示探测到的是由黑洞合并产生的一个时间极短的引力波信号——后来被命名为GW150914,持续不到1秒。它经过13亿年的漫长旅行,于当日抵达地球,被刚改造升级的LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。

  据研究人员推测,两个黑洞合并前的质量分别相当于36个和29个太阳质量,合并后的总质量是62个太阳质量,3个太阳质量的能量以引力波的形式在不到1秒的时间内释放,释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约50倍。

  “这是一个新时代的开始。”LIGO发言人、路易斯安那州立大学物理学家Gabriela González说。她表示,此次发现只是一个开始。当前,相关工作正在两个LIGO观测台展开,其目的是在新的观测开始之前(可能在今年夏季),提升两个探测器的观测能力,探测到更多引力波信号 。
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