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i科技|退烧后再看引力波,专家揭开神秘面纱……

时间: 2016-04-07 00:00:00

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i科技|退烧后再看引力波,专家揭开神秘面纱…….答案


  2016年2月11日,美国激光干涉引力波观测实验组(LIGO)的物理学家向全世界宣布:他们首次直接探测到了引力波。研究论文发表在当天出版的《物理评论快报》上。探测到的引力波信号来源于13亿年前两颗恒星级黑洞的碰撞融合,只持续了0.2秒。虽然只是惊鸿一瞥,却刷爆了网络和社交媒体,甚至演变成科学界的一场狂欢。

  引力波究竟为何方神圣?为何有如此大的魔力,引得全球科学家甚至无数网民为之欢呼雀跃?人们开始对引力波神秘面纱背后的“颜值”瞎想万千。

  今天,我们邀请国防科大物理系副教授钟鸣,为大家做专业解读。


事件回放:引力波的前世今生

  13亿年前,宇宙深处,一颗36倍太阳质量的黑洞和一颗29倍太阳质量的黑洞相互吸引、缠绕、旋转,象一对优雅的舞者,热情奔放地跳着探戈。在舞蹈中,它们不断地向外辐射能量,越走越近,越转越快。最后,一霎那间,它们激烈碰撞并结合在一起,成为一个62倍太阳质量的黑洞。损失掉的3个太阳质量的能量主要以引力波的形式向茫茫无际的宇宙辐射,其中的极小部分于北京时间2015年9月14日抵达地球,列队通过美国的激光干涉引力波观测平台(LIGO)。引力波会引起它通过的空间振动而伸缩,就象小球轻轻撞击弹簧一样。引力波的这个持续时间0.2秒的小动作正好被拿着激光干涉“望远镜”准备“检阅”它们的科学家发现。

  至此,科学家们已经翘首期盼了它一个世纪。

  1916年,爱因斯坦在广义相对论中第一次窥见了引力波的曼妙身姿,预言引力波的存在。他认为当聚集成团的物质的形状或速度突然发生改变时,会扰动附近的时空,这种时空扰动以光速在宇宙中传播。

  或者,你可以这样理解:如果在时空的湖面投下一粒石子,这粒石子必然将平静的湖面激起一片涟漪,时空会像波浪一样传递这种涟漪。因此,引力波还有一个诗意的别名:时空的涟漪。

  但引力波的预言是如此大胆,大胆到科学家们无法接受,就连预言它的爱因斯坦都几次修改对引力波的判断,甚至否定它。
  科学家们激烈地争议引力波是否存在?是否携带能量?又是否以我们希望探测到的方式存在?
  一直到1955年,费曼提出了著名的“粘珠”思想实验,对引力波存在与否的争议才基本尘埃落定。探测引力波开始被科学家们提上日程。
  但引力波太微弱了。弱到什么程度呢?举例来说,地球和太阳这么大两个家伙组成的系统辐射出的引力波,总功率才大约200瓦。这基本上就是照亮一个房间的电灯泡的功率!以至爱因斯坦宣称:引力波是弱不可测的!

  但这却没有吓倒勇敢的科学家们。

50
年前, 实验物理学家韦伯开拓了引力波探测的先河。
40
年前,天文学家泰勒和赫尔斯发现了脉冲双星、间接证实了引力波的存在,并因此获得诺贝尔奖。
25

年前,物理学家索恩和魏斯在美国国家科学基金的资助下开始建造激光干涉引力波天文台(LIGO),来搜寻来自太空的引力波信号。
  那LIGO是怎样完成了这个看似不可能完成的任务的呢?
  根据计算,宇宙中巨大天体激烈运动产生的“强”引力波在1000米距离上大约会有千分之一个原子核半径的变化。为了测量到这个变化,科学家利用激光干涉的原理,让两束完全相同的激光在两个互相垂直的长4000米的臂中跑来跑去,正常情况下,两个激光的信号相互抵消了;但如果有引力波经过,激光跑过的路程被引力波拉长或者压短,激光通过该边的时长就会发生变化,被记录下来。
  LIGO的成功代表了人类科技的巨大进步,而这个巨大进步却仅是人类揭开引力波神秘面纱的一小步。
  引力波的故事才刚刚开始。

12
天外来客:带来宇宙诞生的秘密
  这次直接观测到引力波,虽然仅是惊鸿一瞥,但科学家已经欢呼雀跃,引力波的学术身价不言而喻。引力波的发现到底有何意义呢?
  引力波提供了看待宇宙的崭新方式,发现它们的能力,有可能使天文学起革命性的变化。

——著名科学家霍金

探索宇宙起源

  电磁波、宇宙射线和中微子要在宇宙大爆炸之后一段时间才能产生,对它们的研究无法获取宇宙起源的信息。而宇宙大爆炸之时就会产生强的引力波,能帮助人类洞悉宇宙的起源和演化。

探测暗物质
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  暗物质不发射电磁波,因此电磁波只能观测到宇宙中星球、星云等可以反射光的物质,但这类物质只占宇宙5%不到。由于只要有质量或能量就会辐射引力波,引力波成为目前直接研究暗物质的唯一途径。

探索黑洞等大质量致密天体

  由于引力波具有很强的穿透能力,可以帮助人们直接窥探到超新星爆炸、黑洞融合、伽马射线暴和其他重大天文事件的秘密。


  受引力波这位“天外来客”的魅力吸引,世界许多国家都已经在部署引力波的探测和研究。除了领跑的美国,欧洲、日本、印度都正在建设自己的引力波探测器。


  我国主要有三个大型引力波探测计划,都处于预研阶段。其中两个是太空探测项目,分别是由中国科学院牵头组织的“太极计划”和中山大学领衔的“天琴计划”,均准备于 2030年前后发射引力波探测星组。还有一个地面项目,是由中国科学院主导的“阿里实验计划”,打算在西藏阿里地区放置一个大视场的射电望远镜,从地面上聆听宇宙大爆炸发出的原初引力波的低频音符。


  这些引力波的探测计划涉及学科领域和前端技术十分广泛,包括物理学、天文学、宇宙学、天体物理、空间科学、光学等学科,以及精密测量、真空技术、洁净技术、航天技术、导航与制导、飞行器与轨道设计等先进技术。这些技术对于提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义,对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也有重要作用,一旦攻克,可广泛用于经济和国防。


引力波武器:科学还是科幻?
  引力波的发现宣告了一个科学时代的开启,这是它不菲的学术身价。但是它的技术应用价值怎样呢?
  在科幻小说和电影里,经常出现各种令人脑洞大开的引力波军事装备。

1
引力波星际通信
  利用引力波具有超强穿透性、在传播过程中几乎不衰减、不受任何物体阻挡的特性,实现星系与星系之间的超远距离通信,实现海陆空的无界沟通。

2
引力波雷达探测
  由于任何物质和能量都会辐射引力波,引力波雷达将让现在战场上的所有“可见光隐身”装备无所遁形,甚至还能通过发射特殊引力波进行主动成像,从而窥探地球甚至宇宙中的每个角落。

引力波反重力推进器
  通过对引力波的研究掌握重力,从而消除甚至控制重力。实现星际飞船和所有军事装备的“无推进剂推进”,获得海陆空天甚至太阳系的无限机动能力。

  而引力波最让人着迷的还是其“扭曲时空”的本领。比如,人类可以通过向飞行器发送引力波,改变飞行器上的时空尺度和性质,干扰飞行器的定位和导航,使其迷航。甚至可以利用引力波来建造“时空迷宫”。进入“时空迷宫”中的任何物体会自觉地沿着被引力波扭曲的空间轨道运动,它的落点完全受引力波的控制。不管是子弹、炮弹、导弹还是激光,引力波都可以扭曲它们的运动路径导致它们跑偏,甚至让它们“调转枪口”,让敌人搬起石头砸自己的脚。


  关于引力波的这些奇思妙想,很容易撩动人们的热情,更已令一些国家开始“防患于未然”。


  美国国防情报局早在2008年就对难以捉摸的引力波是否可能被别国利用从而给美国的国家安全带来威胁开展过调查。美国的一家公司还给国防情报局提交过一份项目申请书,希望开展利用强磁场将电磁波转变成强引力波的研究。国防情报局要求贾森国防顾问团对该研究进行评估。贾森国防顾问团的成员有不少是国际一流的理论物理学家,他们经过严谨的理论计算,撰写了一份40页的报告。报告认为这种产生引力波的方法效率非常低,毫无现实意义。


  地球上的所有发电站同时开机运行100亿年时间,才能用这种方法产生一个仅有一百万分之一焦耳能量的引力波。而想要驱动一艘宇宙飞船以重力加速率飞行,需要消耗现在全世界总电力输出功率的1025倍。 

  看来,按照现有的引力理论和技术水平,人类根本无法产生足够强的、可以被加工和探测的引力波。但既然经常有来自宇宙深处的强引力波光临地球,我们能不能收集、储存、控制和加工这些引力波,作为人类的引力波源呢?对于电磁波,这样的技术是比较简单和成熟的,但是引力波的穿透性很强,目前很难找得到关住它的“笼子”。


  不过,我们也不用操之过急。我们毕竟才刚刚认识它,对它还很不了解,当然很难预计它到底有什么用处。


  就算是电磁波,在1887年被发现后,它的发现者赫兹也不认为无线电磁波会有任何实际用途。但是在随后的一个多世纪里,电磁波的各种技术应用如收音机、雷达、激光、卫星、GPS等相继被发明和创造出来,将人类文明进程显著推进。

  每一次基础科学的重大突破,都会轰轰烈烈地引起人类社会的一系列科技革命,改变人类的生产和生活模式,改变人类战争形态。
  引力波将给人类文明带来怎样的惊喜?在追寻答案的过程中,人类会不断地革新技术水平、提升认识能力、增加知识积累、拓展认知疆域。当找到问题答案时,文明进程将会急剧加速,质的飞跃也将飘然而至。

  钟鸣,1973年出生,国防科学技术大学理学院物理系副教授。联合国教科文组织和国际原子能机构下属的国际理论物理中心协联成员,大亚湾反应堆中微子实验组成员。从事高能物理理论研究,在强子物理、重整化群的性质以及引力的量子场理论等研究方向已表SCI研究论文20篇,被引用近千次。


作者|钟鸣 徐莎
编辑由于


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