探测引力波如果证实意味什么

来源: 新浪科技

发布日期: 2016-02-12 09:58:56

文章讨论了引力波探测的意义及其对广义相对论的验证,介绍了LIGO设施的工作原理和其可能带来的科学突破。

北京时间2月11日消息,在过去的近10年时间里,尽管圈子非常小,但一个全新的天文学领域的确正逐渐出现,那就是引力波天文学。和传统天文学使用天文望远镜对宇宙进行观测不同,引力波探测器使用的是激光和反射器。研究人员会让激光在两块呈直角方位的反射镜之间来回,并观察两束光波叠加时所呈现的干涉条纹特征。这正是位于美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)所采用的做法。

在2002年至2010年之间的运行时期,LIGO设施验证了其设计概念的可行性,随后经历了长达5年的关闭升级。直到2015年9月份,升级后的该设施被重新启用并被称作“先进LIGO”。而就在今天晚上,北京时间2月11日23:30许,先进LIGO合作组即将对外发布他们的首个重要科学成果。对此,外界普遍的猜测是:他们将要宣布首次直接探测到引力波信号的消息。如果这个消息最终结果被证实,这将意味着什么?

当爱因斯坦最早提出他的广义相对论的时候,他彻底革新了我们原先对于时间与空间的概念理解。我们此前一直认为空间是恒定而不变的,物质和能量存在于其中。但爱因斯坦的理论指出空间实际上与能量和质量之间都是相互联系的,并且随着时间推移空间也在发生变化。如果只存在一个质量物体,静止地存在于时空之中(或者处于匀速运动状态),那么它所处的时空不会发生变化。

但如果你加入第二个质量物体,那么这两个物体之间就会发生相互运动,互相会向对方施加一个加速度,在这一过程中也就将造成时空结构的改变。更加重要的是,由于存在一个大质量粒子在引力场中运动,广义相对论指出这一大质量物体将会被加速,并释放一种特殊的辐射:引力辐射。

从本质上而言,“先进LIGO”系统采用的探测手法是相当简单而直接的,它利用了引力波辐射的本性和它最重要的性质之一。

引力波会造成空间的拉伸或压缩,其频率和强度取决于形成这种引力波的天文事件所具有的一系列特征,如两个相互绕转天体各自的质量大小、它们两者之间的间距以及这一系统距离地球的远近。“先进LIGO”设施包括两条互相垂直的长臂,长度均为4公里。将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束,然后两束激光分别被4公里外的反射镜反射回来并发生干涉,并且这样的反射可以来回进行多次,从而大大增加激光运行的路径长度。

由于频率和波长完全一致,在正常情况下,这两束激光应该是完全相同的,但是如果存在引力波作用,则会对这两束激光的波长频率产生影响,从而导致两束激光在叠加的干涉条纹上出现改变。这样的改变将能够让科学家们判断两个绕转天体各自的质量大小、它们之间的间距以及这一系统到地球之间的距离等丰富的信息。

如果今晚LIGO合作组真的如外界所传言的那样,正式宣布探测到引力波信号的消息,那么这一消息所承载的意义将远远超出其本身——这将是对爱因斯坦广义相对论的全新检验,也是人类历史上对引力辐射首次成功的直接探测。“先进LIGO”是有史以来人类建造的最先进的引力波观测设施,因此也是最有希望能够窥见真实引力波信号的地方。

该项目有超过1000名顶尖科学家参与其中,因而也使其成为规模最为庞大的引力波搜寻国际合作研究项目。如果所有科学目标都能够如预期中的那样达成,那么就在今晚,我们将一起见证一个全新天文学时代的开端。

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