引力波真的存在吗?

2016-01-24 14:29:31  科技日报
本文作者:李 艳

引力波真的存在吗?

2016-01-24 14:29:31
作者:李 艳
来源:科技日报
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引力波

    近日,一条关于神秘引力波被发现的传言正在迅速扩散。美国亚利桑那州立大学物理学家劳伦斯·克劳斯在社交网站推特上发布消息称自己收到可靠证据,美国激光干扰引力波观测站(LIGO)已成功侦测引力波。媒体广泛跟进了这一消息,并称LIGO研究团队正收集数据撰写报告。若传闻属实,广义相对论最重要的一项预测将得以证实,让人类进一步揭开宇宙奥秘。

    自爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波的存在后,无数科学家日夜寻找,就是没有找到。为此美国在列文斯顿和汉福德建造了两个巨大的引力波探测器,如今十多年过去了,仍然没有发现。这使得引力波是否真的存在成为了一个萦绕在人们心中的未解之谜。

    引力波为什么这么难找到?

    引力波英文为gravity wave,也称为重力波。根据爱因斯坦的广义相对论,引力起源于质量对空间的扭曲:物质在时空中运动时,附近曲率会随之改变;如果大质量物体运动,例如两个黑洞碰撞,所产生的曲率变化会像波一样向外传播,导致时空压缩、伸展,这个现象就是引力波。简单地说,引力波是巨大物体靠近时在宇宙中产生的一种特殊的“时空涟漪”,可以将其想象成在时空中的微小起伏。随着引力波的传播,它将拉伸或挤压物体,但这些形变仅仅有亚原子量级(比原子更小的粒子、比原子更微观的物质层次)。因为微小,所以观测起来非常不易。

    具备物理学常识的人都知道万有引力无处不在,但是为何引力波却难以探测呢?这是因为万有引力实在太微弱了,只有当质量达到如太阳、地球、月亮这样的数量级,人们才能感觉到其存在,而重力波相比万有引力更加微弱,传到地球时已几乎消失,加上电讯干扰来源众多,要想在当中找出引力波的踪影,犹如大海捞针。就连爱因斯坦当年也认为,引力波应该是有,但要侦测到它恐怕是难之又难。

    寻找引力波闹过哪些乌龙?

    自爱因斯坦预言引力波的存在以来,无数科学家和科研机构前仆后继地研究和观测引力波,通过各种科学实验设法捕捉引力波的踪迹。迄今为止,曾有不少科学家和科研机构宣布检测到了引力波,但最终都被证明是空欢喜一场。

    最近一次的轰动消息发生在2014年。2014年3月,美国航空航天局(NASA)的科学家们通过位于南极(选择这里是因为可以避免来自手机通讯、电视广播以及其他日常电子产品的电波干扰)的BICEP2(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization,宇宙银河系外偏振背景图像)望远镜观测到了引力波的相关信号,这是人类首次探测到了在宇宙诞生之初的暴涨期中,证明引力波存在的直接证据。

    消息一传出,全世界都沸腾了,此发现被誉为是本世纪最具突破性的发现,几乎被“认定”能够获得下一个诺贝尔奖,但科学家们后来发现NASA观测结果显著只不过是因为有其他效应未排除,证实了这只是一场空欢喜,因为这些信号仅仅是宇宙中的星际尘埃而已。

    早在1968年,美国物理学家Joseph Weber便声称自己使用由一些巨大铝气瓶组成的神秘探测器检测到了引力波,但随后这被证明是错误的。

    寻找引力波真的一无所获?

    虽然在探索引力波的道路上,科学家们曾闹出过一些乌龙,但也并非一无所获。迄今为止,业内普遍认同的一次阶段性的成果发生在1974年。

    1974年,物理学家Hulse和Taylor花了几个月时间跟踪一个脉冲星(编号PSR 1913+16)发出的脉冲信号。他们发现这颗脉冲星与另一颗看不见的中子星一起围绕着空间一点转动。根据脉冲信号,他们计算了两个天体的质量、旋转轨道和它们的相对运动轨道,发现脉冲星的轨道周期(只有短短的7.75小时)随着时间在衰减,而且其衰减方式在某种程度上与引力波辐射一致。天文学家认为,这颗脉冲星损失的轨道能量正是以引力波的形式传递出去的,从而间接证明了引力波的存在。

    虽然没有直接证据能够证明引力波的存在。但大多数业内人士认为,引力波是存在的,只是我们受各种局限未能检测到而已。

    美国《科学》杂志就曾预测,2016年有三大领域值得关注,其中之一就是引力波探测,并指出一些刚升级的探测器也许很快就能让物理学家一睹引力波的真面目。

    一位物理学专家向记者表示,尽管这次克劳斯教授被很多人批评为造谣、哗众取宠,但他还是愿意相信引力波的检测已经走在取得突破性进展的路上。他乐观地表示,如果科学家们能直接检测到引力波,将为很多学者打开一扇验证爱因斯坦广义相对论是否正确的大门。同时,引力波方面的研究还将为人们对星星、银河系和黑洞的认知提供前所未有的新视角。

    ■延伸阅读

    宇宙的那些未解之谜

    人类对于宇宙的探索一直都未曾停止过,宇宙中是否有其他生命?UFO传说是否属实?随着科学家对宇宙研究的进一步深入,越来越多的谜题也开始呈现在我们眼前。

    星系从何而来?

    直到近日,科学家才得到关于恒星和行星是怎么形成的有力证据。不过,科学界还有着一个巨大的未解之谜,那就是星系到底从何而来?目前我们所知道的是:星系不是错落杂乱地分布在太空中,而是呈现集群存在。

    关于星系的形成原因,科学家们分成了两个阵营。一部分科学家认为星系是宇宙大爆炸中释放出的气体聚集在一起形成的;另外一部分则认为宇宙大爆炸中释放出的气体变成了恒星和行星,它们在引力的作用下慢慢聚拢在相互的作用下形成了星系。但这两种理论都还没有被普遍接受。

    有另外的宇宙吗?

    这是个一直颇受争议性的问题。虽然现代科学已经证实了宇宙是多维度的。但是关于宇宙之外究竟是什么样?目前大多数人普遍承认的是膜宇宙理论,也就是说我们存在于一个宇宙膜之内,膜外也有着属于自己的世界。

    也有观点认为,存在无穷多个宇宙,每一个宇宙都有它的运行规律,至于事实到底怎样?这个谜也许只有等若干年后我们能够亲自去到另一个宇宙才能揭晓,但随着宇宙是不断膨胀的,这个答案或许很难知晓了。

    暗物质是什么?

    根据爱因斯坦的公式“E=MC2”,我们可以得出宇宙中只有4%的物质。那么宇宙中的其他物质到哪里去了?科学家的解释是它们以暗物质的形式存在着。有人猜测暗物质是中性微子,有人指出暗物质是弱相互作用大质量粒子,还有人认为暗物质是惰性中微子……暗物质的性质和成分究竟是什么迄今还是天体物理领域的一个难解谜团。

    暗能量如何作用?

    暗能量是宇宙中最神秘的事物之一,科学家认为暗能量与宇宙加速膨胀有关,能够解释遥远的星系、星系团为什么会距离我们越来越远。数学计算表明,暗能量占据了我们宇宙74%的质能,抵消了星系间大质量物质形成的强大引力,使宇宙加速向外膨胀。但是目前我们还没有确凿的证据来解释暗能量的作用。

    白洞是否真的存在?

    爱因斯坦用数学证明了黑洞的存在。随着技术的进步,目前人类也已经找到了几个黑洞,不过让人没想到的是,爱因斯坦的方程式竟然还能证明白洞的存在。

    与黑洞不一样,白洞主动向外部释放物质和能量,是时间呈现反转的黑洞。黑洞吞噬吸收的物质,最终会在白洞的释放下出现在另外一个宇宙,它们是相通的。不过这只是理论,事实到底如何,还有待科学家考究。

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