引力波的天文学革命


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新华社北京2月12日电直接探测到引力波有多重要?包括中国科学家在内的多国家科学家认为,新发现不仅填补了广义相对论实验验证中最后一块缺失的拼图,让现代物理学的根基更加坚实,也意味着科学家抓住了揭开宇宙奥秘的“钥匙”,有助于了解宇宙的起源和运行机制。
英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金表示:“引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。(人类)探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。”
首先让我们了解一下引力波:在爱因斯坦的广义相对论中,引力被认为是时空弯曲的一种效应。这种弯曲时因为质量的存在而导致。通常而言,在一个给定的体积内,包含的质量越大,那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候,曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下,加速物体能够对这个曲率产生变化,并且能够以波的形式向外以光速传播。这种传播现象被称之为引力波。
在物理学中,引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果,因为它引入了引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下,引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中,因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。
全球近千名科学家参与了搜寻引力波的项目,其中有来自中国清华大学的科研团队,包括该校信息技术研究院研究员、天体物理中心兼职研究员曹军威,以及计算机系副教授都志辉和王小鸽等。参与研究的几位科学家对新华社记者说,他们着重采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率。如果说引力波发现有重大意义,那么探测和数据分析技术水平的提高意义也同样重要。

美国亚利桑那州立大学物理学家劳伦斯·克劳斯告诉新华社记者,发现引力波开启了观测宇宙的一个新窗口,就像望远镜的发明或太空无线电波的发现一样。引力波天文学将成为21世纪的天文学。不仅如此,它可能还揭示了有关引力、黑洞及基本物理问题的性质的重要信息。

南非夸祖鲁-纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲说,天文学的发现几百年以来主要靠电磁光谱的测量,射电、光学、红外、X射线等天文观测手段均是在收集光,靠“看”观测宇宙。引力波的发现则将从“听”这一完全不同的角度进行天文观测,引力波天文学这一学科的大门彻底被打开。引力波将成为检验爱因斯坦相对论、探测黑洞质量、测量宇宙距离等基本问题的新窗口。

此次主导发现引力波的是“激光干涉引力波天文台”项目(LIGO)。参与该项目的美国宾夕法尼亚州立大学科学家查德·汉娜说,我们无法预测引力波天文学将如何改变对宇宙的基本认知,就像伽利略用他的小望远镜预测不了哈勃太空望远镜展现给我们的宇宙那样,“我们可以预期的是,100年后我们的后辈所知道的将与我们所知道的有天壤之别”。

LIGO原型机实验室科学家埃里克·金特罗对新华社记者回忆自己得知引力波可能被探测到的经历说,“我们被告知不得声张,我甚至没有告诉家人,其实直到今天,我们还没有好好庆祝,我只是在当时偷偷攥了下拳头,对自己说‘YES’”。

另一名LIGO项目共同创始人、加州理工学院教授基普·托尔内说:“有了这一发现,我们人类将会开始不可思议的新探索:探寻宇宙扭曲的一面——由扭曲时空生成的天体与现象。”

托尔内也是好莱坞科幻大片《星际穿越》的科学顾问。有人在记者会上问这一发现对时间旅行有什么意义,他回答说:“这大大加深了我们对在极端扭曲情况下的时空行为的了解,但我不认为它使我们距时间旅行更近一步。我倒是希望如此,但那是两个不同的方向。”

100年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。但爱因斯坦也曾认为,由于引力波太过微弱,它无法被探测到。参与LIGO项目的墨尔本大学研究人员孙翎告诉记者,这次“我们既证明了他的正确,另一方面他也说错了,我们真的探测到了”。

原文(发现引力波,霍金:有可能引发天文学革命)


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