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引力波:2017年诺贝尔物理学奖背后的瑞典之光

更新时间:2023-11-17 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

中新网10月4日电 据路透社报导,瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予雷纳韦斯( Weiss),巴里巴瑞斯(Barry C. )和吉普索恩(Kip S. )三位科学家,以嘉奖她们在引力波研究方面的贡献。为什么一项常人无法理解的天体物理学新发觉才能引起这么多的关注?究竟哪些是引力波?发现了引力波,又有如何的科学意义?7OX物理好资源网(原物理ok网)

引力造成的时空弯曲7OX物理好资源网(原物理ok网)

瑞典斯德哥尔摩当地时间10月3日,瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予 Weiss,Barry C. 和Kip S. ,以嘉奖她们在引力波研究方面的贡献。7OX物理好资源网(原物理ok网)

我们无时不刻地感知到重力——也就是引力的存在。而在广义相对论中,引力可以用时空弯曲来解释。假设时空就是一张蹦床:一枚小小的足球置于蹦床上,它只会静静地停在哪里;而假如此时在蹦床上坐着一个人,蹦床都会向上凹坑,那枚小篮球则会滚向这一凹陷处,而且越是离得近,滚得越是快,网球被这处凹坑"吸引"了。7OX物理好资源网(原物理ok网)

显然,坐在蹦床上的那种人体重越大,凹陷就越是显著,网球就越是容易滚向凹陷处。同理,在时空中,引起改变的那种物体质量越大,时空弯曲程度就越是显著,产生的"引力"也更大。7OX物理好资源网(原物理ok网)

而在哪个人一屁股坐上蹦床的那刹那,蹦床的弯曲会从凹坑中心处向外扩散;此时,如果用高速摄影机观测、并回放慢镜头,会发觉这一扩散过程是以波动的方式进行的。就好象平淡的海面上投一枚沙子,会形成一圈圈的涟漪——这就是引力波。7OX物理好资源网(原物理ok网)

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引力波形成在物体加速过程中,即物质的分布发生改变时(一屁股坐上蹦床的时刻)。比如星体爆燃、黑洞碰撞,都会形成引力波。引力波会引起时空的伸缩、影响时空的结构(蹦床的弯曲从凹坑处呈波浪状扩散)。7OX物理好资源网(原物理ok网)

为何花了一个世纪?7OX物理好资源网(原物理ok网)

当地时间2016年2月11日,耶路撒冷,希伯来大学的爱因斯坦档案馆院长Roni Gross展示爱因斯坦有关引力波的原始文件。7OX物理好资源网(原物理ok网)

爱因斯坦在1916年发表广义相对论时,就预言了引力波的存在。与声波、光波(电磁波)不同的是,引力波在宇宙中的传播不会遭到任何抵挡。7OX物理好资源网(原物理ok网)

爱因斯坦描述了时空是怎样被引力波拉伸以及压缩、时空是怎样弯曲,也描述了物体是怎样在弯曲的时空中运动的。7OX物理好资源网(原物理ok网)

爱因斯坦的这一理论被提出后,众多物理学家都在努力找寻引力波存在的证据。然而,受时代所限,早年间的科学家没有足够的技术手段来进行观测。7OX物理好资源网(原物理ok网)

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难以观测的一大诱因就是引力波太微弱了。就好比我们观察蹦床弯曲的波浪状扩散须要高速摄影机,观测引力波也须要极端精密的仪器。抵达月球的引力波,其振幅大概相当于氢原子的100亿分之一。7OX物理好资源网(原物理ok网)

这次立了大功的LIGO(激光干涉引力波探测器),是由相距3000公里的两个精密观测装置共同组成的。每个观测装置都具有两条互相垂直的管线,每条管线长4000米,构成L型。管道内安装有半透镜以及反射镜。激光在L型管线的节点处被半透镜分为两路,分别迈向L型管线的两端,从尽端反射回来后天体物理学,重新凝聚。如果没有引力波的影响,重新凝聚后的激光会由于同频干涉而互相抵消。而引力波会非常细微地改变反射镜与半透镜的距离,从而影响本应互相抵消的干涉结果。7OX物理好资源网(原物理ok网)

而之所以要相隔3000公里修筑两套一样的观测装置,则是为了易于科学家比对引力波的方向以及时间节点。7OX物理好资源网(原物理ok网)

除了LIGO项目,还有许多其他装置也在寻找引力波的影踪。欧洲空间局近来发射了一枚卫星,可以拿来观测宇宙的细微波动。7OX物理好资源网(原物理ok网)

证实引力波为什么意义重大?7OX物理好资源网(原物理ok网)

从科学意义上而言,证实引力波确实存在,将彻底改变物理学对宇宙的认知。科学家将才能由此来研究大爆炸风波的后续影响,还能够更精确地来观察宇宙中遥远的角落。源自大爆炸的引力波,还能帮助科学家更好地理解宇宙的构成。7OX物理好资源网(原物理ok网)

从科学史角度来看,捕捉到引力波直接存在的证据,就是补上了爱因斯坦广义相对论实验验证的最后一块拼图。广义相对论的其他几项预言——例如可见光和电磁波的弯曲、水星近期点进动、引力红移效应此前都早已被证实。7OX物理好资源网(原物理ok网)

从普通人的现实角度,虽然暂时未能预测引力波会有什么现实的应用价值。但是看似远离日常生活的、1916年发表的广义相对论,对于现在广泛应用的卫星定位技术,却是不可或缺的:卫星必须按照广义相对论天体物理学,来修正由地球引力造成的时空弯曲。7OX物理好资源网(原物理ok网)

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