引力波的那些事 中國的引力波探測還有意義嗎

2021-03-28 02:37:05 字數 5916 閱讀 7089

1樓:**

美國鐳射干涉引力波天文臺ligo團隊發現引力波,堪稱是21世紀物理學最重大的發現。它的出現,甚至比2023年歐洲核子中心cern發現希格斯玻色子更加激動人心。在物理學各大領域都被量子理論佔據的今天,它成了經典物理最後的榮耀與豐碑。

引力波探測:幾十年上下求索

自從廣義相對論預言引力波之後不久,人們便開始追尋引力波。到今天,已經度過了幾十個春秋。發現引力波有什麼意義呢?大致有以下三方面。

首先,引力波探測證實了愛因斯坦以及合作者的預言,再一次驗證了廣義相對論。

其次,就像電磁波和放射性現象一樣,引力波是人類瞭解這個宇宙的新視窗。引力波的發現標誌著人類進入了一個新的時代,開創了人類瞭解世界的新方式。(2023年赫茲發現電磁波時,誰能想象130年後,電磁波已經走進每個家庭。

2023年貝克勒爾發現放射線的時候,誰能想到現在每一家醫院都能留下核物理的足跡。)

再次,引力波可以提供宇宙發展演化的資訊,有助於我們進一步瞭解宇宙(諸位還記得2023年bicep衛星宣稱發現了原初引力波嗎?後來確定是**於星際塵埃的干擾。原初引力波可以反映宇宙早期的性質)。

20世紀60年代,美國馬里蘭大學物理學家韋伯曾利用長2米、質量為1噸的鋁筒進行引力波探測,2023年甚至宣稱發現了引力波,但同行們卻無法重複他的結論。

後來人們利用邁克爾遜-莫雷干涉原理來探測引力波。邁克爾遜-莫雷干涉儀是利用兩束鐳射進行干涉的裝置,當兩束光的路程不一致時,便會產生干涉現象。通過觀察干涉條紋,便可進行精確測距。

歷史上,邁克爾遜和莫雷曾經利用這樣的儀器發現了真空中的光速不變。

邁克爾遜-莫雷干涉儀

這次ligo使用的堪稱豪華版邁克爾遜-莫雷干涉儀,只不過干涉臂換成了4km長的「跑道」。引力波是時空的漣漪。當有引力波傳來時,彎曲的時空會使得4km長的跑道發生「形變」(拉長或壓縮)。

利用鐳射束的干涉,可以精確地測量4km「跑道」上由引力波引起的長度變化。因為引力波所產生的「形變」效果太微弱了,在10的負20次方量級,探測它們實在是難上加難。

ligo引力波探測

100多年前,邁克爾遜—莫雷干涉儀的出現驗證了光速不變;100多年後,ligo團隊用豪華版邁克爾遜-莫雷干涉儀觀測到了廣義相對論中的引力波。邁克爾遜-莫雷干涉儀為愛因斯坦厥功甚偉,愛因斯坦看到了今天這一幕,必會在陰間大擺筵席,與邁克爾遜和莫雷一醉方休。可見,每一個成功的理論物理學家背後,都有一批成功的實驗物理學家。

ligo之後,還有歐洲的lisa(鐳射干涉空間天線),它是一個規劃中的引力波探測專案,利用三顆衛星在天空中排成個三角形,衛星上高精度的鐳射器彼此發射鐳射來進行干涉。90年代歐洲人捉摸著,六十年代韋伯用鋁筒和鋁棒沒有能發現引力波,是因為精度不夠;ligo用4km長的「干涉臂」,還沒有找到引力波,那必然是距離還不夠大。所以,我們用相隔成千上萬公里的衛星,作為干涉臂,這下距離總夠了吧。

圖為lisa引力波探測計劃

中國引力波探測,是機會還是大坑?

自從二戰以後,各發達國家競相提出引力波探測計劃,而這方面,中國長期以來都是空白,這是一個巨大的遺憾。

很多人不看好中國引力波探測,認為引力波已經被ligo團隊發現了,中國再去搞什麼天琴計劃,純屬多此一舉,既得不了諾貝爾獎,又沒有什麼實際用途,只能為他人作嫁衣裳。

這裡邊牽扯兩個問題。其一,ligo發現引力波是否意味著引力波領域的主要工作已經做完,只剩下殘羹冷炙,再無研究價值,更無獲得諾貝爾而獎的希望?其二,引力波探測技術是否是空中樓閣,毫無應用價值?

引力波按頻率可以分為高頻、中頻和低頻三種,這次ligo發現的是中頻部分的引力波。三種引力波的**、性質、探測手段並不完全相同。這些性質上的差別決定了高頻、中頻和低頻引力波的應用方向定會有很大差別(如果將來有一天引力波技術能走向應用)。

2023年,bicep衛星宣稱發現的是宇宙大**早期的原初引力波,而這次ligo發現的是兩黑洞融合產生的引力波,兩者又不相同。可見,引力波不是單一的。並不表明ligo發現了引力波,這個領域就塵埃落定了,就再也沒有其他人的事情了。

君不見,電磁波產生了多少個諾貝爾獎,放射性產生了多少個諾貝爾獎,加速器和中微子產生了多少個諾貝爾獎,超導又產生了多少個諾貝爾獎。引力波是個巨大的寶庫,催生出多少諾貝爾獎,還未可知。

退一步說,即便ligo之後,真的沒有可能得引力波的諾貝爾獎了,中國探測引力波是否毫無意義,我看也未必。在這裡我們先不談引力波本身的應用價值(因為引力波本身距離實際應用還會有很長一段距離),只說說空間引力波探測技術在其它領域的應用價值。像天琴計劃這樣的太空探測,需要對幾顆衛星間的距離進行精確測量,也需要對鐳射束進行嚴格校準,還需要排除太空中各種背景的影響。

它不僅會滿足引力波這樣的純科學探索,對於空間測距以及鐳射技術也是巨大的促進。

從引力波探測看大科學裝置實驗

一般來說,在科學研究中,別人做過的點子,你再做就沒什麼意思了。但大科學裝置存在例外情況,因為大學科裝置需要經驗,需要積累,需要傳承。一方面是科學上的,一方面是配套的工程技術上的。

沒有小工程,沒有前期的工程基礎,很難在短時間內建起像樣的大工程。因此,沒有前期基礎,僅憑某天的一個點子,一個機遇,就指望讓一個大裝置拔地而起,是不現實的。即便建起來,估計事故也不會少。

因此,對於這類涉及大科學裝置的實驗,能獨樹一幟固然很好,但也不是所有仿照別人的專案都沒有價值。

任何大科學裝置從投資到建設,從維護到升級,從執行到分析,從採集第一個資料到發表最後的結果,都經過了幾年甚至幾十年的崢嶸歲月。人們往往只能看到它們的成功,卻看不到它們背後的艱辛。

就比如ligo團隊,在他們從2023年啟動,經過了升級和再升級之後,才有了今天的發現。裡邊複雜的探測技術,各種精密儀器,不是一朝一夕就能完成的。而且大多數時間裡,ligo都一無所獲,扮演著失敗者的角色。

以至於像我這樣的外緣人士,前幾年已不對ligo抱有什麼希望了,一心期望著lisa早日出來救市。

從九十年代至今的二十餘年裡,ligo團隊的花費不下十億美金。在ligo團隊未成功的那些年代裡,想必也曾飽受爭議,想必也曾受到這樣的諷刺:他們花了納稅人這麼多錢,什麼也沒探測到,真是一群廢物!

在2023年之前,對於引力波花落誰家,是美國的ligo捷足先登,還是歐洲的lisa奪得桂冠,誰也無從知道。

科學的發現頗有些戲劇性,一人得道,雞犬**。如今,ligo搶了頭功,成為聞名天下的明星,儘可指點江山,激昂文字。而lisa出師未捷,便先聞噩耗,此刻lisa團隊的研究者的心情可以用本山大叔小品中的臺詞來形容——我的心是哇涼哇涼的呀!

但決並非意味著lisa失去了存在的意義。如果說ligo代表了中頻引力波探測的尖端,lisa則代表了低頻引力波探測的尖端,而且,lisa也有著一些ligo沒有的技術。它們一個地面,一個太空一箇中頻,一個低頻,遙相呼應,熠熠生輝。

未來,在浩淼的天空中,相信lisa終會有一席之地。

假如lisa和其它引力波探測專案因此自暴自棄,不再前進,引力波領域就會被美國做大做強。我想,同樣的道理也適合於中國。中國的太空引力波探測,本來就比lisa起步晚,再畏縮不前,拿什麼去和未來的lisa爭呢?

出品:科普中國

製作:小曲

監製:中國科學院計算機網路資訊中心

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2樓:天山我才

引力波是假設的,設立的一個定義,無意義。。。。。。。。。。。。。

引力波的那些事:中國的引力波探測還有意義嗎

小曲:中國的引力波探測還有意義嗎

引力波的發現有什麼意義?

3樓:匿名使用者

引力波最重要的意義在於,人類從過去到現在所有對自然界的觀測,包括天文觀測,主要依賴於電磁波,也就是雷達或者光學波段的電磁波對未知世界進行探測。而有了引力波以後我們就對自然界多了一種探測手段,這是一個質的差異。引力波的探測有可能使我們瞭解到更豐富的有關於黑洞、中子星等等這些天體在發生一些現象和劇烈變化時的時空變化,所以說它對於瞭解物質世界是非常有用的。

引力波的發現對於物理學有著里程碑的意義,證實了愛因斯坦100年前的預言,完善了相對論的證明。提供了一種全新的觀測宇宙的工具,此前的觀測只能依靠「眼睛」,現在還可以使用「耳朵」。此外還有以下意義:

①證明了黑洞的存在;②證明引力波以光速傳播;③為恆星**,中子星的形成,宇宙膨脹速度和測量提供了有利的研究工具。

「原初」在宇宙學中一般是泛指「複合之前」這個階段。宇宙在大約38萬年的時候,隨著溫度的降低,自由質子和電子重新結合成中性原子——所謂「複合」。此時,等離子體的霧霾散去,宇宙變得透明,光可以暢行無阻。

於是這些光,經過137億年的征程,進入我們的「眼睛」,即是所謂「宇宙微波背景輻射」——嬰兒宇宙38萬歲時的**。

「宇宙微波背景輻射」在2023年就被貝爾實驗室的penzias和wilson發現了,併為二人帶來了2023年的nobel物理學獎。

在早期宇宙研究中,「原初」更進一步特指「宇宙學暴漲」——宇宙極早期經歷的急劇加速膨脹過程——時期。

回到引力波。通常的「結構」——星系、超星系、超星系團,是宇宙空間中質量「密度」的起伏。密度是空間的「標量場」,而引力波——卻是空間的「張量場」波動。

為什麼探測到引力波有如此重大意義

4樓:紅安縣革命老區

直接探測到引力波有多重要?包括中國科學家在內的多國家科學家認為,新發現不僅填補了廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的拼圖,讓現代物理學的根基更加堅實,也意味著科學家抓住了揭開宇宙奧祕的「鑰匙」,有助於瞭解宇宙的起源和執行機制。

英國著名理論物理學家斯蒂芬·霍金表示:「引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。(人類)探測到引力波的這種能力,很有可能引發天文學革命。」

全球近千名科學家參與了搜尋引力波的專案,其中有來自中國清華大學的科研團隊,包括該校資訊科技研究院研究員、天體物理中心兼職研究員曹軍威,以及計算

機系副教授都志輝和王小鴿等。參與研究的幾位科學家對新華社記者說,他們著重採用先進計算技術提高引力波資料分析的速度和效率。如果說引力波發現有重大意

義,那麼探測和資料分析技術水平的提高意義也同樣重要。

美國亞利桑那州立大學物理學家勞倫斯·克勞斯告訴新華社記者,發現引力波開啟了觀測宇宙的一個新視窗,就像望遠鏡的發明或太空無線電波的發現一樣。引力波天文學將成為21世紀的天文學。不僅如此,它可能還揭示了有關引力、黑洞及基本物理問題的性質的重要資訊。

南非誇祖魯-納塔爾大學的引力波研究專家馬寅哲說,天文學的發現幾百年以來主要靠電磁光譜的測量,射電、光學、紅外、x射線等天文觀測手段均是在收集

光,靠「看」觀測宇宙。引力波的發現則將從「聽」這一完全不同的角度進行天文觀測,引力波天文學這一學科的大門徹底被開啟。引力波將成為檢驗愛因斯坦相對

論、探測黑洞質量、測量宇宙距離等基本問題的新視窗。

此次主導發現引

力波的是「鐳射干涉引力波天文臺」專案(ligo)。參與該專案的美國賓夕法尼亞州立大學科學家查德·漢娜說,我們無法**引力波天文學將如何改變對宇宙

的基本認知,就像伽利略用他的小望遠鏡**不了哈勃太空望遠鏡展現給我們的宇宙那樣,「我們可以預期的是,100年後我們的後輩所知道的將與我們所知道的

有天壤之別」。

ligo原型機實驗室科學家埃裡克·金特羅對新華社記者回憶自己得知引力波可能被探測到的經歷說,「我們被告知不得聲張,我甚至沒有告訴家人,其實直到今天,我們還沒有好好慶祝,我只是在當時偷偷攥了下拳頭,對自己說『yes』」。

另一名ligo專案共同創始人、加州理工學院教授基普·托爾內說:「有了這一發現,我們人類將會開始不可思議的新探索:探尋宇宙扭曲的一面——由扭曲時空生成的天體與現象。」

托爾內也是好萊塢科幻大片《星際穿越》的科學顧問。有人在記者會上問這一發現對時間旅行有什麼意義,他回答說:「這大大加深了我們對在極端扭曲情況下的時空行為的瞭解,但我不認為它使我們距時間旅行更近一步。

我倒是希望如此,但那是兩個不同的方向。」

100年前,愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。但愛因斯坦也曾認為,由於引力波太過微弱,它無法被探測到。參與ligo專案的墨爾本大學研究人員孫翎告訴記者,這次「我們既證明了他的正確,另一方面他也說錯了,我們真的探測到了」。

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