愛因斯坦是對的引力波終於被證實

2016-02-12 | 來源: 新浪科技 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

　　先進LIGO包括兩處設施，分別位於美國西北部（華盛頓州）以及美國東南部（路易斯安那州）。如果這兩處設施均觀測到同樣的信號，那麼我們幾乎就能夠肯定我們的確是觀測到了引力波信號了。目前版本的LIGO系統對於質量在1倍太陽質量到數百倍太陽之間之間的兩個黑洞合並過程可能產生的引力波信號最為敏感，且其探測能力可以覆蓋距離地球數百萬光年之外----在這樣一個巨大的空間范圍內，符合條件的黑洞合並事件每年都會至少發生幾次。

　　意義重大的引力波

　　這項發現將是對愛因斯坦廣義相對論的又一次證明，後者在將近100年前便預言了引力波的存在。但引力波被首次直接探測到的意義還遠不僅於此，它還有著更加重大的意義。作為時空本身的震動，引力波常常會被人和聲波進行對比。事實上，引力波望遠鏡能夠讓科學家們在光學望遠鏡“看到”某個現象的同時“聽到”它的“聲音”。

　　有趣的是，當LIGO項目在上世紀90年代早期尋求美國政府的資金支持時，它在國會面對的最大反對者竟然是天文學家們。美國佛羅裡達大學廣義相對論專家，LIGO項目的早期支持者克裡福德?威爾（Clifford Will）指出了出現這種情況的原因：“當時普遍的觀點是認為LIGO這個項目與天文學之間似乎關系不大。”而反觀今天的情況，人們對此的觀點已經完全變化了。

　　歡迎來到引力波天文學的世界！

　　一、黑洞真的存在嗎？

　　正如外界所傳言的那樣，此次宣布的消息是有關兩個黑洞合並過程中產生的引力波信號。這樣的事件是宇宙中最高能的事件之一----這一過程中產生的引力波信號強度甚至可以短暫超過整個可觀測宇宙中所有恒星產生的引力波效應之和。與此同時，來自兩個黑洞合並時所產生的引力波也是所有引力波類型中信號最清晰，最便於解譯的類型之一。

　　當兩個黑洞以螺旋形軌道逐漸相互靠攏時，合並過程便開始了，在此期間會釋放出引力波。這種引力波擁有特征性的信號，科學家可以利用這些特征信號解譯出合並的兩個黑洞各自的質量大小。在那之後，實際上這兩個原先獨立的黑洞就融為一體了。法國巴黎高等學術研究所的引力理論學家迪爾巴特?達摩爾（Thibault Damour）指出：“這就有點像是你將兩個肥皂泡泡靠得很近，以至於它們最終融合一體了。而在合並的初始階段，較大的那個泡泡會發生扭曲變形。”黑洞合並的情況非常類似，而一旦合並過程完成之後，形成的單一黑洞將恢復為完美的球形。

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　　探測到黑洞合並產生的引力波信號，其中的一項意義可能會出乎一部分人的意料，那就是證實黑洞的存在----至少由愛因斯坦廣義相對論中所預言的那種純粹、空曠的扭曲封閉的時空區域的確是存在的。這一信號的另外一層意義是可以讓科學家們確認黑洞的合並過程的確是與先前的理論預測相吻合的。天文學家們手裡已經掌握了許多此類現象存在的證據，但到目前為止它們都來自對圍繞黑洞周圍存在的恒星以及高溫氣體行為的觀測，也就是間接證據，而非來自黑洞本身的直接證據。

　　美國普林斯頓大學的廣義相對論專家弗蘭斯?普雷特瑞斯（Frans Pretorius）指出：“整個科學界，包括我本人，都已經對黑洞的話題感到厭倦，我們已經對此習以為常了。然而如果你想要宣布一項激動人心的預言，那麼我們就需要看到非常扎實的證據。”

　　二、引力波是以光速傳播的嗎？

　　當科學家們將來自LIGO的觀測結果與來自其他類型望遠鏡的觀測數據進行對比時，他們檢查的第一個項目往往就是查看這兩個信號是否是在同一時間抵達的。物理學家們認為引力是由一種被稱作“引力子”的粒子負責傳遞的，它們就像構成光線的光子一樣。而如果這些粒子也像光子那樣不具有質量，那麼引力波就將能夠以光速傳播，從而與廣義相對論中關於引力波應當能夠以光速傳播的預言相吻合。

　　然而另外一種可能性就是引力子可能具有極小的質量，如果情況是那樣，這就意味著引力波的傳播速度可能無法達到光速。如果的確如此，那麼LIGO等設施將會發現來自遙遠天文事件中產生的引力波信號抵達地球的時間要比工作在γ射線波段等“傳統”望遠鏡的探測到信號的時間稍晚一些。如果這一情況出現，那就將構成對基礎物理學理論的重大挑戰。

　　三、時空是由“宇宙弦”組成的嗎？

　　如果能夠探測到來自所謂“宇宙弦”的引力波信號，那麼則會出現更加詭異的情況。所謂“宇宙弦”是一種假想中存在的宇宙時空彎曲中的缺陷，它可能與弦論有關，也可能無關。這種“宇宙弦”無限薄，但長度卻能拉長到宇宙尺度。研究人員認為，這種宇宙弦如果的確存在，可能會產生一些扭結；而如果其中的一根弦斷裂，則會產生一陣引力波漣漪，這樣的信號應該是可以被LIGO這樣的設施監測到的。