端聞

人類首次探測到引力波,驗證愛因斯坦關於宇宙的世紀預言


圖為電腦模擬兩個黑洞合併的影像。Caltech/MIT/LIGO Laboratory/ Reuters
圖為電腦模擬兩個黑洞合併的影像。Caltech/MIT/LIGO Laboratory/ Reuters

你或許知道,由於你有質量,會對腳下的地面產生壓力,造成非常微小的變形;質量越大,地面的變形就越顯著。但你或許不知道,同樣因為你有質量,如果你加速運動,還會對周圍的時空造成非常微弱的扭曲;質量越大,時空扭曲得越厲害。這種扭曲會像水波一樣以光速向周圍擴散,被稱為引力波,這就是愛因斯坦廣義相對論的部分理論。

愛因斯坦在1915年發表廣義相對論時,或許不會想到,100年以後,有兩個在10億年前互相吞噬的黑洞,會將釋放的引力波從遙遠的宇宙空間傳到地球,並被人類首次直接探測到,將人類對宇宙的認識推向一個新的階段。

這兩個黑洞一個是太陽質量的36倍,另一個是太陽質量的29倍,它們在10億年前合併成了一個62倍太陽質量的更大黑洞,將大約3倍太陽質量轉化成了引力波能量,釋放到宇宙空間裏。兩個黑洞距離地球10億光年遠,也就是說,它們釋放的引力波以光速傳播了10億年,才到達地球。

據天文學家解釋,在浩瀚的宇宙中,黑洞雙星合併,產生引力波經過地球,在理論上是很常見的。但由於這種影響特別微弱,往往隱藏在各種干擾因素中,無法被直接探測到。而這次探測成功,則要歸功於座落在美國路易斯安娜州和華盛頓州的激光干涉儀引力波探測器(LIGO)。

自從20世紀六七十年代起,許多發達國家相繼建設基於激光干涉的引力波探測器,其中便包括美國的 LIGO。

LIGO 的兩條邊(干涉臂)長達4公里,互相垂直,激光束在其中反射並產生干涉條紋。LIGO 通過諸多設計排除干擾信息,提高靈敏度,終於在2015年9月14日格林尼治標準時間9點50分45秒,通過干涉條紋的變化,捕捉到了引力波經過地球的痕跡,這次事件被命名為 GW150914。

美國當地時間2月11日中午,加州理工學院、麻省理工學院及 LIGO 項目團隊在華盛頓舉行了發布會,正式公布了對引力波的觀測結果,同時這也是人類首次觀測到「雙黑洞」系統。

LIGO 項目發起人之一、麻省理工大學物理學家 Rainer Weiss 教授在發布會上表示,「我們開創了一片全新的領域」。

引力波的發現或將為宇宙膨脹說提供有力的證據支持。根據這一學說,宇宙起源於137億年前的一次大爆炸,並曾經歷過一段「暴漲」(inflation)時期,所有的一切都在迅速遠離,整個宇宙呈現出膨脹的形態。而由於引力波具有幾乎不衰減的特性,確定它的存在可以為宇宙膨脹理論提供有利的證據,甚至可能幫人類洞悉宇宙的源頭。

7 毫秒
被觀測到的引力波信號先後經過美國路易斯安娜州和華盛頓州的 LIGO 探測器,相隔7毫秒,留下了幾乎一模一樣的波形。

聲音

引力波的發現漂亮地印證了愛因斯坦在100年前的預言。如果我們有機會告訴他這件事,我真想看看他臉上的表情。

LIGO 項目發起人之一、麻省理工大學物理學家 Rainer Weiss 教授

愛因斯坦當初認為引力波太過微弱而無法探測,並且他從未相信過黑洞的存在。不過,我想他並不介意自己在這些問題上弄錯了。

馬克斯·普朗克引力物理研究所所長 Bruce Allen

宇宙並不在乎其間發生了什麼,它自會按照自己的規律運行;而我們誕生在了一個幸運的時刻,或許能在不久的將來目睹終極理論的誕生,甚至可能將是唯一親自見證這一瞬間的文明。

果殼網 Calo

廣義相對論

廣義相對論是愛因斯坦於1915年發表的用幾何語言描述的重力理論,它代表了現代物理學中重力理論研究的最高水平。廣義相對論將古典的牛頓萬有重力定律包含在狹義相對論的框架中,並在此基礎上應用等效原理而建立。在廣義相對論中,重力被描述為時空的一種幾何屬性(曲率);而這種時空曲率與處於時空中的物質與輻射的能量-動量張量直接相聯繫,其聯繫方式即是愛因斯坦的重力場方程式(一個二階非線性偏微分方程式組)。 (資料來自維基百科)

來源:果殼網中國新聞網賽先生(微信公眾號)知識分子(微信公眾號)

2017 年 7 月,端傳媒啟動了對深度內容付費的會員機制。在此之前刊發的深度原創報導,都會免費開放,也期待你付費支持我們