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科普:探測“時空的漣漪”——解讀2017諾貝爾物理學獎成果 
2017-10-04 00:42:12 來源: 新華社
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  10月3日,在瑞典斯德哥爾摩,獲得2017年諾貝爾物理學獎的三名美國科學家雷納·韋斯、巴裏·巴裏什、基普·索恩(從左至右)的照片在新聞發布會上展示。瑞典皇家科學院3日宣布,將2017年諾貝爾物理學獎授予美國科學家雷納·韋斯、巴裏·巴裏什和基普·索恩,以表彰他們為發現引力波作出的貢獻。新華社發(石天晟 攝)

  新華社北京10月3日電(記者胡丹丹黃堃)我們可以通過傾聽聲音來分辨樂器的種類和質地,物理學家也通過類似方式來研究宇宙。引力波就是這樣一種“時空的漣漪”,它能被極為靈敏的探測器“聽”到,向我們傳遞宇宙的信息。

  美國科學家雷納·韋斯、巴裏·巴裏什和基普·索恩獲得2017年諾貝爾物理學獎,就是因為他們在“激光幹涉引力波天文臺”(LIGO)項目和發現引力波方面的貢獻。

  首先,什麼是引力波?

  根據愛因斯坦的相對論,時空是可以彎曲的,有質量的物體在其中運動,就會産生引力波。這就好比石頭丟進水裏會産生水波,引力波因此常被稱作“時空的漣漪”。

  但普通物體産生的這種引力波極為微弱,連愛因斯坦自己也認為很可能無法觀測到。事實上,LIGO項目所觀測到的兩個黑洞合並産生的引力波,在儀器中只引起了比原子核還要小得多的變化。

  愛因斯坦發表相對論百年來,許多預言,如水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實,但引力波一直沒有被探測到。因此,引力波又被稱作廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的“拼圖”。

  第二,如何探測到引力波?

  今年的獲獎者創建和領導了LIGO項目,該項目有兩個引力波探測器,分別建在相距3000公裏的美國路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市。每個探測器有兩個L型的長臂,每個“臂長”為4公裏。

  這樣巨大的實驗裝置,是為了通過長距離的激光幹涉,盡可能放大引力波的影響。當源自遙遠宇宙的引力波傳到地球時,在實驗裝置中只會引起相當于原子核萬分之一大小的變化。如此微弱的信號也能被這套裝置探測到。研究人員認為,這是迄今最精密的科學測量設備。

  2015年9月14日,LIGO項目終于探測到來自于13億年前一個雙黑洞係統合並的引力波信號。隨後,科學界又三次探測到了引力波。最後一次是在今年9月27日,美國和歐洲兩個引力波項目組宣布,首次共同在8月14日探測到一次引力波事件。

  第三,引力波有什麼用?

  引力波開啟了人們認識宇宙的新途徑。過去科學界探測宇宙,多是依靠光學望遠鏡、射電望遠鏡等手段,而引力波是與光不同的信息載體。

  通過分析引力波信號,我們可以判斷出遙遠宇宙中發生了什麼。比如2015年的這次引力波事件,可以推斷出兩個黑洞合並前的質量分別相當于36個和29個太陽質量,合並後的總質量是62個太陽質量,相當于3個太陽質量的能量以引力波的形式在不到1秒的時間內釋放,是宇宙中的一場巨變。

  引力波的波形特徵與聲波相似,這也是為什麼科學家曾將其轉換成聲波,作為“宇宙的聲音”播放出來。通過探測引力波來分析宇宙中的各種事件,就像根據樂器聲波判斷樂器的質地種類,以及樂手的演奏手法。

  首次發現引力波時,LIGO項目組發言人、路易斯安那州立大學物理學家加布裏埃拉·岡薩雷斯説:“這一發現是一個新時代的開端,引力波天文學現在成為現實。”

  至于引力波在實際生活中有什麼應用,科學家説,包括時空旅行這樣的科幻設想還早得很,而利用引力波的宇宙通信目前來看也很遙遠。不過引力波的發現無疑打開了一扇新的大門,給未來增加了更多新的可能。

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【糾錯】 責任編輯: 馬俊卿
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