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华人科学家:爱因斯坦都不敢想象 我们探测到引力波

2016-02-13 23:32:27 作者:丰都邻里网 来源:中国青年网 阅读:3009 评论:0

简介   100年前,当爱因斯坦预测引力波的存在的时候,他不曾想过,有朝一日,人类能够真正观测到应力波:这个效应是如此的微弱,无法察觉。  今天,2016年2月11日,北京时间23:30分,加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会,向全世界宣布: 我们真的探...

  100年前,当爱因斯坦预测引力波的存在的时候,他不曾想过,有朝一日,人类能够真正观测到应力波:这个效应是如此的微弱,无法察觉。

  今天,2016年2月11日,北京时间23:30分,加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会,向全世界宣布: 我们真的探测到引力波!

  相关论文,以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger为题,在Physical Review Letters上发表。论文作者包括清华大学LSC引力波研究团队。

  知社学术圈特邀请论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院陈雁北教授,和中国引力波专家、湖北第二师范学院范锡龙博士,撰文介绍引力波探测漫长曲折而又激动人心的经历,和一些鲜为人知的花絮,从300年前的引力,100年前相对论,一直讲到今天的引力波。

  爱因斯坦都不敢想象,我们真的探测到引力波!

  1915年,爱因斯坦发表广义相对论论文,革新了自牛顿以来的引力观和时空观,创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年,爱因斯坦在广义相对论的框架内,又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。

  因为引力波的效果极俏⑷酰100年前的爱因斯坦认为引力波在任何能想象的情况下都可以忽略。50年以前,实验物理学家Joe Weber勇敢的开拓了引力波探测的先河。40年前,天文学家Hulse和Taylor发现了脉冲双星、间接证实了引力波的存在。25年前,物理学家Drever, Thorne和Weiss在美国国家科学基金的资窍驴始建造激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,LIGO)。 今天,美国的LIGO和欧洲的VIRGO引力波探测器联合发布消息,宣布已经探测到距离地球约13亿光年的两个大约30太阳质量的黑洞碰撞所发出的引力波。

  在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件(GW150914)中,4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离,以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几d。这样微乎其微的振动,被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出,让人类第一次“近距离的接触”了黑洞。黑洞不再是科幻作品中的神奇物体,不再躲在高温磁化的等离子体后面,也不再稳稳的坐在星系中央。这次,我们实实在在的观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。引力波探测的成功,为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。

  引力

  引力是无处不在的。 它主导了天,让宇宙、星系、恒星、行星有序地形成和演化;它主导了地,让我们生活的地球分成了各个圈层,让苹果落地,让人类羡慕鸟类飞b,让日出日落,山川秀丽。可是,引力虽然无处不在,它却低调而又卓尔不群,以至于我们经常会忽略它: 我们生活中的五颜六色、酸甜苦辣,都是由电磁相互作用所产生的。而到目前为止,在微观上,引力还是和其他基本相互作用不能融合!

  引力是人类最早定量认识的相互作用,让人类从无知走向科学。在17世纪,伽里略的斜塔实验就通过运动学证明了引力对众生平等,也就是等效原理-- 不同材质的物体下落加速度一致。1687年,牛顿创建了万有引力定律,并且发明微积分的数学方法对行星的运动进行精确的描述。后人用牛顿的理论发现了海王星和冥王星。虽然水星近日点的进动一直和牛顿预言闹一点非常微小的矛盾,但是貌似引力的终极理论就此完成。

  在牛顿发现引力之后的几百年,物理学的进展更多的是在对电和磁的研究,1865年麦克斯韦最终建立了电场和磁场的大一统理论。到了1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,极具洞察力地论证了电磁场的统一性暗含了时间和空间的统一性:物理理论必须把时间和空间放在一起考虑,而时间和空间本身,失去了绝对意义。一个新的概念,“时空”,就这么诞生了。

  广义相对论

  尽管牛顿的万有引力定律有着几乎完美的实验验证,但是观念上是把时间和空间分开考虑的,并且牛顿引力是瞬时传播的。因此,牛顿引力和狭义相对论理论在概念上是矛盾的。提出了狭义相对论之后,爱因斯坦进一步研究引力和“时空几何”的关系,重新思考伽里略所观察到的物体下落加速度一致这个现象,意识到引力是一个非常特殊的相作用。如果我们进入一个自由下落的参照系,那么引力会消失!这就是为什么在地球附近的宇航员会感觉到失重:不是因为他们离地球太远,而是因为他们在自由下落!

  如果我们进入自由下落的参照系,引力好像没有了,是不是意味着引力只是参照系变换的产物,而不是真实的物理存在呢?不是的,因为宏观上不同位置上自由下落的参照系是不同的!如果我们考虑一个足够大的空间站,就会发现空间e不同位置上的物体会有相对加速的现象,这就是所谓的潮汐加速度。而这个加速度,是对所有物体都适用的。爱因斯坦把这个归结于时空几何的弯曲。

该文章所属专题:聚焦引力波

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