【科學科普】捕捉時空漣漪,引力波使人類能夠聆聽黑洞乃至宇宙

天空之城 2021/01/03 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知识不会,只是姿势不对;科学凡此种种,用人话讲才能听懂

文/天空之城

 

2015年9月14日,這是一個載入人類科學史的大日子。這一天人類首次探測到了引力波。

就在一百年前,科學巨匠愛因斯坦提出了廣義相對論。這一理論的橫空出世,徹底改變了世界。它對時空的重新定義,是現代物理學的一大支柱。隨之而來的,就是各種各樣神奇的推論:光線會被大質量的天體偏折,引力會讓時間變慢,引力紅移現象,宇宙中有看不見的天體黑洞等等。這些看似不可思議的預言在隨後的幾十年紛紛得到了實驗的證實。

唯獨引力波難覓芳蹤,它甚至被譽為相對論缺失的最後一塊拼圖。

引力波,時空彎曲中的漣漪,通過波的形式從輻射源向外傳播,以引力輻射的形式傳輸能量。

簡而言之,它就像水波一樣。當我們朝平靜的湖面扔一塊大石頭。在石頭入水的地方,會出現一圈圈的波紋慢慢向外擴散。如果我們把湖面想像成時空之網,當網受到大力衝擊時,就會出現向外擴散的漣漪,這就是引力波。原理很好理解,可是要實實在在檢測到它,又是另外一回事了。

你,我在走路、跑步、打球時,都會產生引力波,但這十分的微小,根本檢測不到。只有宇宙中的大動靜,才能產生足以讓人類檢測到的引力波,比如兩個大質量黑洞的合併。

13億年前,一個29倍太陽質量的黑洞和一個36倍太陽質量的黑洞,相互圍繞,逐漸靠攏。最後,合併成了一個62倍太陽質量的黑洞。這個新興的黑洞高速地旋轉著。在合併過程中,虧損了3個太陽的質量,這部分質量以強大的引力波形式釋放到宇宙中。

人類為了抓住這一次檢測到引力波的機會,一代代科學家為之不懈奮鬥,追趕的腳步一刻也未敢停歇。

早在上世紀60年代,美國物理學家約瑟夫·韋伯就利用共振原理製成了他的引力波探測儀器——「韋伯棒」。這是一個直徑1米、長2米、約重1噸的圓筒。工作時,把它用鋼絲懸在安靜的地方,如果有引力波經過,圓筒會發生共振,在圓筒內安裝有靈敏的電壓感應器,由此可以檢測出引力波。

1968年,韋伯宣稱他檢測到了引力波,但是當學界再次對其進行驗證時,卻始終一無所獲。

時間來到了90年代,麻省理工學院與加州理工學院在美國科學基金會的資助下,開始聯合建設「鐳射干涉引力波天文臺」(LIGO)。其原理就是,在儀器內發射兩束鐳射,如果這兩束光走過的路程一樣長,那它們重逢時,出現的干涉條紋中間是明亮的。如果這兩束光走過的路程不一樣長,出現的干涉條紋中間會變暗。也就是說,把引力波經過時所造成的長度變化,轉化為鐳射干涉結果的光線明暗變化。

在開始的幾年,LIGO沒有探測到引力波的信號。接下來的幾年仍一無所獲。但是LIGO團隊沒有氣餒,一次一次地升級改造,不斷地加長探測臂,以提高靈敏度。

我們人類做好了一切準備。終於,在2015年9月14日,13億年前兩個黑洞合併所產生的引力波如約而至。

歷時百年,我們終於探測到了引力波。廣義相對論最後一塊拼圖終於找到了。

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