浪漫小镇|引力波被科学界追捧,发现者获诺贝尔奖,有什么重大意义?( 二 )


这是一个具有里程碑意义的发现 , 由此将对未来宇宙天文学的发展和宇宙观测 , 具有不可估量的突破性意义 。 为此 , 三位发现者雷纳·韦斯( Rainer Weiss)、基普·索恩( Kip Thorne)、巴里·巴里什(Barry Barish)共同被授予了2017年诺贝尔物理学奖 。

  • 引力波探测的进展
最早尝试探测引力波的是美国物理学家约瑟夫·韦伯 , 他设计制造了一个共振棒探测器 , 其核心部件是一根长2米直径0.5米的铝棒 , 原理是当引力波到达地球时 , 会交错挤压拉伸铝棒的两端 。 但前提是引力波频率必须和铝棒设计频率一致 , 这种探测局限性是很大的 , 探测到微弱的引力波几乎是不可能的 。
虽然韦伯声称探测到了引力波 , 但一直存在争议 , 没有得到科学界认定 。 1972年 , 科学家们在麻省理工学院召开了一次引力波研讨会 , 有两位科学家 , 一位叫托尼·泰森 , 一位叫理查德·高文 , 他们都宣称韦伯的发现不存在 , 并指出其中的某些错误 。
尤其是高文 , 固执的不信任韦伯 , 韦伯异常沮丧 , 两人的争执越来越厉害 , 竟发展到准备拳脚相向 。 正要开打时 , 主持会议的菲利普·莫里森教授一瘸一拐地走过来 , 举起拐杖将他们分开 , 这场争执才不了了之 。
韦伯的探测成果虽然未得到承认 , 但他毕竟开了探测引力波之先河 , 由此激发了许多年轻科学家们探测的兴趣 , 人们在他共振探测器基础上 , 发明了基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波激光干涉仪探测方案 , 这样引力波感应壁就是激光了 , 这样将韦伯探测器的频率局限拉宽了很多 , 臂长也拉到千米级以上 。
这样 , 引力波探测频率和精度都得到了很大提高 。 人类首次直接探测到引力波存在的设备 , 是一台叫“激光干涉引力波天文台”的设备 , 简称LIGO 。 2015年12月26日世界时间凌晨3点38分53秒 , LIGO首次探测到一个引力波信号 , 虽然这个信号只将这个探测器4公里长臂移动了一个质子直径万分之一的尺度 , 却被敏感的捕捉到了 。
质子的直径约1.6*10^-15米 , 这个尺度多大呢?我们用人的头发来比喻比较直观:人的头发最粗可以达到100微米 , 是质子直径的625亿倍 。 而这次引力波对探测器4公里长臂的振动干扰 , 只偏移了一根头发丝的625万亿分之一 。
这就是现代科学能达到的高度 , 而且这种高度还在提升 。
据欧洲航天局宣称 , 计划建造的空间引力波项目eLISA(演化激光干涉空间天线) , 是发射三颗卫星 , 将三个相同的探测器激光干涉臂延伸到500万公里长 , 三颗卫星构成一个边长为500万公里的等边三角形 。 使用这样的激光干涉法来探测引力波 , 精度将大大提升 。
中国也在筹建类似eLISA引力波空间探测项目 , 是由中山大学罗俊院士领衔的“天琴计划” , 将在地球上空10万公里轨道 , 设置三个卫星 , 形成等边三角形 , 间距在10万公里之上的引力波探测激光干涉臂 。
从这些发展迅速的引力波探测装置来看 , 上世纪之所以无法直接证实引力波的存在 , 是因为引力波的能量太微弱了 , 那时的设备精度无法感受这种微弱振动 。 而在未来 , 将探测到越来越小的引力波 。
  • 为啥黑洞碰撞发生的引力波常被探测到
黑洞是宇宙中的顶级极端天体 , 一是质量大 , 最小的黑洞也有3个太阳质量以上;二是引力极端 , 在其史瓦西半径内 , 任何物质都无法逃逸 , 连光也不例外;三是角动量大 , 被黑洞强大吸引力捕捉的天体和物质 , 在其附近都被撕碎 , 然后围绕着黑洞旋转 , 临近黑洞事件视界(史瓦西半径临界点)时 , 线速度可达每秒数千公里甚至数万公里 , 有时接近光速 。