大新聞！人類發現引力波它為何如此重要？

2023-03-31 16:25:30 1

美國加州理工學院、麻省理工學院以及「雷射幹涉引力波天文臺」的研究人員在華盛頓舉行記者會，對外正式宣布他們探測到引力波的存在。引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」。在愛因斯坦在廣義相對論中預言了引力波存在的一百年之後，引力波終於被人類所發現。
引力波：宇宙中的「時空漣漪」在物理學上，引力波是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，如同石頭丟進水裡產生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的「時空漣漪」。如果將時空看成一張大橡膠膜，用小球代替天體，當小球被放上橡膠膜時，球的質量會把橡膠膜往下壓。這時，如果在旁邊再放一顆球，兩顆球分別造成的「時空彎曲」就會讓它們逐漸滾向對方。當它們互相加速運動時，產生的「漣漪」就是引力波。宇宙中大質量天體的加速、碰撞和合併等事件都會形成強大的引力波。
宇宙學的「世紀懸案」 100年前，愛因斯坦在廣義相對論中預言了引力波的存在。但由於引力波探測難度巨大，科學家在過去100年中始終沒能一睹引力波的真面目。因此，探測引力波的工作時常被戲稱為「世紀懸案」或者「全宇宙最徒勞無益之事」。不過，儘管如此，科學家始終沒有放棄探尋引力波的腳步。從上世紀60年代棒狀引力波探測器被發明，到1974年美國物理學家喬瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯首次發現一個雙星系統正在損失能量，再到2009年發射的普朗克衛星，以及去年升空的「LISA探路者」試驗探測器等。在過去的一百年中，科學家們嘗試了各種方式來探尋引力波的蹤影。但由於引力波信號極其微弱，探測難度極大，科學家們此前始終都沒有拿出令人信服的結果。
引力波的發現是科學界裡程碑式成果1.成為支持廣義相對論的有力證據：
引力波的發現，使得相對論所預言的所有實驗現象已全部被驗證。過去一百年中，廣義相對論中的其他預言，例如光線的彎曲、水星的近日點進動以及引力紅移效應等都已得到證實，唯有引力波一直徘徊在科學家的「視線」之外。2.觀測宇宙的一扇新窗戶：一直以來，人們觀測宇宙的主要手段是觀測光，幾乎所有天文實驗都是在收集光子。引力波的發現，將為天文觀測提供了一種新的手段，這將是全新的天文學領域，幫助人類更好地了解黑洞、中子星和其他難以採用傳統方法進行觀測天體。3.解開宇宙誕生之謎的重要線索：科學界目前普遍認為，宇宙誕生於距今約140億年前的一次「大爆炸」。在大爆炸之後不到1秒鐘的原初時刻，宇宙曾在極短時間內經歷了速度快到無法想像的急劇膨脹，這一過程稱為「暴漲」。根據廣義相對論，宇宙誕生之初產生了引力波，這種引力波被稱為原初引力波，它忠實記錄了暴漲時期的物理過程，並一直存在於宇宙空間內，如果被發現並得到證實，將很大程度上幫助人類了解宇宙誕生之謎。
設備探測到兩個黑洞合併過程中產生的引力波根據愛因斯坦的計算，引力波的強度非常微弱，在浩瀚的宇宙中想要把它探測到十分困難。為此，雷射幹涉引力波天文臺在美國的華盛頓漢福德與路易斯安納州之間設置了兩個探測器（LIGO），呈現L型排列，利用麥可遜幹涉儀原理進行測量引力波。兩個天文臺使用完全相同的設備，但間隔數千公裡，彼此進行相關驗證，排除偶然因素導致的誤判。L型測量臂很長，達到4公裡，兩個測量臂垂直排列，兩端各有反射鏡面。科學家認為雷射在測量反射臂上來回反射，如果幹涉條紋發生了變化，就說明探測到了引力波。△位於華盛頓州漢福德的一臺LIGO。在2002年至2010年之間，雷射幹涉引力波天文臺設施驗證了其設計概念的可行性，隨後經歷了長達5年的關閉升級。直到2015年9月份，升級後的該設施被重新啟用，其探測靈敏度相比2010年提高了約10倍。重啟後的設施探測到兩個黑洞合併過程中產生的引力波，這兩個黑洞合併前質量分別相當於36個與29個太陽質量，合併後的總質量是62個太陽質量。這意味著3個太陽質量在合併過程中釋放，釋放出的能量相當於數以億億億億計的原子彈同時爆炸，威力相當驚人。這些被釋放的能量便是此次科學家探測到的引力波。
「這一次，錯誤的可能性為零！」在一百年來尋找引力波的道路上，科學家們經歷了無數的希望和失望。那麼這次科學家們宣布發現了引力波，存不存在鬧烏龍的可能性呢？在新聞發布會後接受採訪時，雷射幹涉引力波天文臺執行主管顯得自信滿滿：這一次，錯誤的可能性為零！我們有很多種分析數據的方式，每種方式都顯示了同樣的數據。我們還確定我們的探測器可靠。事實上我們的兩座探測器都收到了同樣的信號，它們之間相距了3000公裡的距離，這就是為什麼如此自信。
這一發現有望拿諾貝爾獎雷射幹涉引力波天文臺執行總監雷茨說：「400年前，伽利略把望遠鏡指向星空，開啟了現在現代天文觀測的時代，今天我們所做的重要性可以與之比肩。我認為，我們開啟了了解宇宙的一扇窗，一扇引力波天文學之窗。」而對於此次公布的引力波探測結果，一些科學家也表示，這一發現「可以躋身過去25年最重要的宇宙學發現之列」，有望獲得諾貝爾獎。