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引力波“不负众望”摘诺奖 开启宇宙研究新时代

发布时间:2017-12-04 阅读:

  重力波“辜负期待”鉴赏家大奖开启了宇宙研究的新纪元 - 新闻 - 科学网

  瑞典当地时间10月3日11时45分,斯德哥尔摩瑞典皇家科学院宣布了2017年诺贝尔物理学奖。赖因·魏斯,巴里·C·巴里什,基普·索恩,三名以发现重力波而命名的科学家,出现在屏幕上的诺贝尔奖新闻发布会上。

  已经准备好了,当之无愧的已经准备好新闻发布的媒体,纷纷用这个词来形容诺贝尔物理学奖得主,Inno-Boiled微信朋友圈,那是笑声,果然这个时候很多人猜测是正确的。

  由于在2016年2月在海洋另一边的LIGO举行了一个简短的新闻发布会,宣布了迄今为止第一次直接引起人类引力波探测,自引力波起仅仅两年多时间,物理学的学术词汇,多次出现在报纸上。但是,为什么引力波,即时空涟漪,在如此短的时间内获得诺贝尔奖委员会的青睐呢?

  打开物理世界的新钥匙

  从事LIGO和引力波建设的三位科学家早已获得了科学家圈子的奖项。中国科学院物理研究所研究员曹泽贤告诉“中国科学报”记者。

  2016年2月11日,LIGO首次宣布,2015年9月14日,直接4公里激光干涉仪被用于直接探测距离13亿光年远的两个黑洞合并引力波。

  此后,LIGO连续两次独立检测引力波。最近,位于意大利比萨附近的新升级的VIRGO也加入了GWR调查,并在升级两周内首次发现了引力波。

  四起引力波相继出现,再加上LIGO和VIRGO最近的证实,没有人怀疑引力波探测的结果。因此,谈到诺贝尔物理学奖LIGO引力波探测时,中国科学院高能物理研究所原阿里巴巴引力波检测计划首席科学家张新民说,毫无悬念。

  有关引力波存在的预言可以追溯到一百年前。曹泽贤告诉记者,爱因斯坦于1918年在一篇题为“引力波”的文章中讨论了引力波的问题,并给出了引力波方程。

  爱因斯坦预言,像杠铃一样旋转的两个物体,如旋转在空间中的两个旋转黑洞,将在太空中波及,并以光速在宇宙中传播。

  1974年,美国科学家RA Hulse和Taylor(JH Taylor Jr.)发现脉冲双星的轨道在减少。这可以用引力波引起的能量损失机制来解释,引力波是间接观测到的。两人获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

  现在LIGO的工作是引力波的直接检测,这是自然验证的爱因斯坦的广义相对论。但是,科学家所看到的远不止于此。这一发现不仅直接证实了广义相对论和引力波的存在,而且更重要的是开辟了一个理解宇宙的新窗口,开启了引力的引力吸引力和黑洞随时间的直接观测。复旦大学物理系教授石瑜解释说。

  这意味着人类已经为下一步的认知世界找到了新的关键。重力波不仅改变了对原始物质世界的理解,而且还可以帮助人们认识过去未曾意识到的东西。例如,如果我们能够检测到原始的引力波,我们就能够确定宇宙的起源。又如,我们可以通过独立于电磁方法的二元系统的黑洞引力波或引力波来识别宇宙起源。这个天体系统。

  以LIGO观测为例,在发现黑洞合并事件产生的引力波之前,在沙漠中观测到的太阳质量级黑洞双星系统几乎天文观测到。蔡毅夫说,引力波为科学家们找到了他们认为是沙漠寻找宇宙线索的观测领域提供了一种全新的手段。

  三剑客带来胜利的精确测量

  引力波的探测开启了科学家聆听宇宙的时代,人类可以通过测量宇宙中的电磁波,高能粒子等来间接地了解宇宙的信息,现在已经获得了直接的信息支配宇宙的重力。史玉说。

  自然,这些直接的信号导致更丰富的信息。史玉表示,在有关黑洞的信息是间接的之前,黑洞原来的存在还没有被直接证实。 LIGO现在通过直接探测引力波如面积缩小和更详细的特性来证明黑洞的存在和一些特性。

  引力波引起的变化给了科学家对天体物理未来的期待,但是科学家也被LIGO的精确测量能力所鼓舞。就LIGO能够在远处探测到微小振动的准确性而言,获得诺贝尔奖并不夸张。然而,Cao也认为,波信号检测是任何时候获得的理论时序信号都不足以反转波源信息。因此,今后在空间合成大量物体的机制研究和探索方面可能还有更多的工作要做。

  检测非常微弱的引力波是一个挑战。 LIGO每个L形干涉仪就像一对垂直的统治者。经过的引力波通常将这两条4公里的手臂延伸不同的长度。通过对比手臂上来回移动的激光,物理学家可以检测到轻微的差分拉伸。 LIGO干涉仪可以检测出相当于质子直径1/10000的长度的差异。

  蔡一夫把这种探索形象地描绘成了大海捞针,但是LIGO却把它变成了现实。因此,史玉还提到LIGO的成功是精密测量领域的一次重大胜利,相信这将进一步推动量子测量研究。这也是这三位科学家获得诺贝尔奖的重要原因之一。他们将理论与工程完美结合。

  曹泽贤说,三位获奖者中,Vaisovih是第一个提出用激光干涉仪来检测引力波并进行噪声分析的人。 Barrish对LIGO的建立做出了重要贡献,而Thorne的贡献则在于引力波探测和LIGO的理论方面。

  曾经辍学的有才能的发明家瓦萨(Vassar)并没有想到用干涉仪检测引力波的第一人。在二十世纪六十年代,美国物理学家罗伯特·福德为这项任务建立了一个小干涉仪。不过,外交部对这个问题进行了更彻底的分析,并认识到需要长达几公里的干涉仪。他还指出了外部噪声的主要来源,并解释了如何处理1972年未发表的报告,这是LIGO的基础。

  在最初的怀疑之后,索恩开始支持这个项目,并敦促加州理工学院在1979年聘请德鲁进行重力波研究。康奈尔大学的理论物理学家索尔特科尔斯基(Thul Teukolsky)说,索恩也塑造了LIGO的科学目标。例如,许多物理学家认为引力波最可能的来源是超新星爆炸,索恩认识到旋转双子星或黑洞可能是一个更强大的来源,并鼓励实验者选择LIGO来探测它们。敦促物理学家把大量的数值模拟放在一起,以帮助找到数据中的潜在信号。

  如果外星人和索恩(Thorne)的观念产生了LIGO,Barry就成为了现实。他在1994年接手该项目的领导,当时该项目被搁置,国家科学基金会正在考虑取消该项目。 Barrish扩大了LIGO的合作范围,做出了关键性的设计变更,并于2005年在施工前就通过了项目。LIGO在他的领导下不会存在下去。加州理工学院的物理学家Stanley Whitcomb是第一个成员LIGO计划说,这是雷纳和基普做不到的事情。

  赢得只是开始

  尽管LIGO在短短两年内获得了诺贝尔的引力波探测奖,但科学家们认为这仅仅是个开始。张新民告诉记者,目前看来,利用引力波研究天体物理过程已经非常成熟,未来的重力波探测时间将会趋于正常化。

  这意味着引力波探测的新闻不断涌现在人们的耳中,相关数据将不断增加,随着数据的积累,科学家也将对远方的宇宙产生变革性的影响。

  不仅如此,中科院紫金山天文台研究员吴学锋告诉记者,引力波源由黑洞和黑洞组合,黑洞和中子星合并,中子星合并并发生中子星。目前,LIGO探测到的引力波事件都是由双黑洞合并产生的。科学家期待未来的LIGO,VIRGO等引力波探测装置能够探测到黑洞中子星合并,中子星中子星合并等多种天体合并事件产生的引力波信号。

  吴学锋说,黑洞与中星合并,中子星与中子星合并产生的引力波携带着大量的电磁波信号,这就意味着还有足够的空间来研究引力电磁对口。比如是否能在光学,无线电,伽玛射线等波段中产生辐射,具体的信号是什么被发现。在观测已经到来的重力波电磁对口的时代,目前的一些理论预测可能通过观测来验证,甚至可能发现以前的理论从未预测到的信号,后者将给科学家带来更大的惊喜。他说。

  此外,引力波的研究也将使科学家深入研究宇宙起源的宇宙起源。

  据张新民介绍,宇宙膨胀时期周期性宇宙产生的初始引力波,对于宇宙起源有着丰富的信息,捕捉原始引力波将为科学家提供丰富的宇宙起源研究资料这也是今后引力波研究的重要方向之一,据他介绍,目前位于西藏阿里项目的观测库已经基本完成,估计观测可以从2020年

  总而言之,对科学家来说,这个窗口只是为了理论研究和观察而开放,为中国科学家发挥作用留有充足的空间。

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