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诺贝尔物理学奖发表 三位科学家因引力波获奖 诺贝尔物理学奖官方
发表日期:2017-10-12 06:53| 来源 :本站原创 | 点击数:
本文摘要:  相干消息:   诺贝尔物理学奖发表 三位科学家因引力波获奖   引力波为什么获诺奖?普通易懂给你讲一遍   获诺贝尔物理学奖的引力波是啥?要从爱因斯坦提及   2017年度诺贝尔物理学奖获奖者到底

  相干消息:

  诺贝尔物理学奖发表 三位科学家因引力波获奖

  引力波为什么获诺奖?普通易懂给你讲一遍

  获诺贝尔物理学奖的引力波是啥?要从爱因斯坦提及

  2017年度诺贝尔物理学奖获奖者到底是谁?

  本站科技讯 北京时间10月3日薄暮消息,方才,瑞典皇家科学院公布将2017年诺贝尔物理学奖授予三位引力波探测筹划的紧张科学家,三人均来自LIGO/VIRGO互助组,以嘉奖他们在“LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性孝敬”。奖金的一半授予莱纳·魏斯(Rainer Weiss),别的一半由巴里·巴里什(Barry C。 Barish)和基普·索恩(Kip S。 Thorne)两人分享。

初次被探测到的引力波
初次被探测到的引力波

  时空荡漾

  2015年9月14日,LIGO探测器眼见了一次时空中的荡漾:人类初次检测到了引力波信号。只管这一信号在抵达地球时极其薄弱,但它已经掀起了一场物理学的全新革命,是我们视察宇宙变乱并检测我们知识极限的极新本领。

  人类初次探测到的引力波信号源自数亿年之前两个黑洞产生的碰撞。爱因斯坦再一次被证实是精确的。自爱因斯坦预言引力波存在之后,时间又过了100年,但当初爱因斯坦只管提出了引力波存在的理论,但他本人并不信赖引力波有朝一日可以或许被探测到。

  LIGO的全称是“激光干预干与引力波天文台”,这是一个由来自20多个国度的上千名科学家们配合到场的大型互助项目。这些科学家们通力互助,实现了一项连续凌驾半个世纪的空想——引力波的直接探测。2017年度诺贝尔物理学奖的获奖人们以他们的热情和刻意,成为了实现LIGO的乐成背后不可或缺的要害人物。莱纳·魏斯,巴里·巴里什和基普·索恩向导了整个项目标推进,直到终极完成,确保了40多年的积极最闭幕出硕果,得到了初次引力波探测的乐成。

  在国际互助组完成终极的数据阐发事情之前约莫5个月,传言便开始到处传播,但研究组不停对此保持缄默沉静,他们在完全确信之前不敢容易公布消息,直到2016年的2月11日一鸣惊人。

  除了是初次观察到引力波之外,LIGO项目标科学家们在那次发明中还制造了多项第一。好比说,这有信号初次证明宇宙中存在质量介于30~60倍太阳质量的黑洞而且它们之间可以产生归并。在归并的一刹时,产生的引力波信号要强过宇宙中全部恒星的星光的总和。

捕获引力波信号的表示图。天文学家初次捕获到的引力波信号来自13亿光年外两个黑洞的剧烈碰撞。当这些引力波在13亿年后颠末地球时,强度已经削弱不少,它们对时空的扰动被LIGO记载下来,而这一扰动比原子核还小数千倍。
  捕获引力波信号的表示图。天文学家初次捕获到的引力波信号来自13亿光年外两个黑洞的剧烈碰撞。当这些引力波在13亿年后颠末地球时,强度已经削弱不少,它们对时空的扰动被LIGO记载下来,而这一扰动比原子核还小数千倍。

  时空的震惊

  一片黑暗之中,两个黑洞的碰撞产生的震惊信号冲破了宇宙的清静。就像一颗小石头丢进清静的湖面,引力波像一道道荡漾,在时空中扩散开来。但它仍旧必要时间才气抵达地球。只管引力波信号以光速流传,它仍旧必要数亿年的时间才抵达我们这里。

  2015年的9月14日,在美国两台LIGO探测器的记载仪上,数据曲线出现了一条微小的颠簸,这是13亿光年外两个黑洞的碰撞发出的信号。

  LIGO并不是寻常意义上的望远镜,它并非用于光学探测,乃至不是用于吸收电磁波,它的用途是用来凝听宇宙深处的引力波信号,即便引力波的本质是时空自己产生的荡漾。

  数十年来,物理学家们不停在实验探测爱因斯坦在百年之前预言的引力波。爱因斯坦指出,时空具有“弹性”,当有质量的物体加快时产生的引力波将会造成四维时空的颠簸,好比迢遥星系内恒星的爆炸,大概两个黑洞在归并之前的高速旋转等等。和引力波一样,黑洞自己也是由爱因斯坦在1915年提出的广义相对论所形貌的。在厥后凌驾50年的时间里,大部门主流科学家不停以为黑洞只是爱因斯坦方程组的一个解,而非现实存在于宇宙中的真实天体。

  相对论将引力视作是时空的扭曲。当引力极度强盛时,时空的扭曲可以到达极限,形成一个黑洞。黑洞是时空中最为奇特的天体——没有任何工具可以或许逃离黑洞,光芒都不可。也正由于云云,黑洞不停是物理学中的一种秘密存在。引力波带给科学家们一种盼望,他们大概可以实验去检测一种此前从未想过的全新的信号,但关于时空的谜团毕竟是否可以或许真正被揭开仍旧难以预料。在很长一段时间里,爱因斯坦本人不停确信引力波信号是不大概被检测到的,由于他本身都不能肯定这毕竟是真实存在的征象照旧只是一种数学盘算上的假象。

  他其时的同事,英国大科学家亚瑟·爱丁顿更是完全不信赖引力波这种说法,他说,引力波不是以光速流传,而是以“头脑的速率在流传”,以此表达本身对此征象真实性的质疑。

  不停到上世纪1950年代末,引力波的想法才开始渐渐被更多人担当,其时的盘算效果证实引力波应该可以携带有能量,因此至少从理论上说大概是可以被检测到的。第一个非直接证据出如今1970年代,其时美国天文学家约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)和拉塞尔·赫斯(Russell Hulse)利用一台大型射电望远镜对一对脉冲双星举行了观察。他们的观察表现这两颗致密星体之间相互绕转的速率不停加速,并在此历程中丧失能量并相互靠近。盘算表现其失去的能量值切合引力波理论的猜测数值。由于这项成绩,约瑟夫·泰勒与拉塞尔·赫死被授予了1993年的诺贝尔物理学奖。然而,他们两人的事情究竟仍旧是间接的。我们仍旧盼望可以或许直接检测到引力波的信号。

  但要在时空中产生荡漾非常困难,因此只有宇宙中最为剧烈的变乱才有大概产生出可以或许被检测到的引力波信号。但即便云云,这种信号仍旧极为薄弱———检测它们就像丈量一颗10光年外恒星的间隔,而且要求你准确到一根头发丝直径。因此,只管我们知道整个宇宙中随处都是引力波引发的荡漾,但银河系内部产生的,且可以或许被检测到的那种猛烈信号却是相对较少的,我们必须盼望宇宙中那些越发迢遥的地方。

  用引力波回溯已往

  如今,我们检测到了引力波的信号。产生这一信号的两个黑洞自宇宙早期诞生之初便不停在相互绕转,并终极合二为一。它们之间每绕转一圈,便在时空之中形成一道荡漾,这些荡漾以引力波的情势,在宇宙时空之中不停扩散远去。这些荡漾携带有能量,于是两个黑洞便通过这种方法丧失了能量,这让它们两者之间的间隔越靠越近,速率也变得越来越快,于是丧失能量的速率也就越来越快,如许的历程连续了数百万年。终极,在一刹时,两个黑洞的变乱视界相互打仗,两个黑洞终极归并。在归并的一刹时,全部震惊全部消散,只剩下一个齐备的,但是质量更大的自转的黑洞,完全看不到任何狞恶汗青产生过的陈迹。

  但这是假象。有关曾经存在过的两个黑洞归并的汗青并没有完全消散——这段汗青被隐蔽在当时空的荡漾之中。引力波不停拉伸或压缩着它通过的时空,差别的“音调”诉说着差别的故事。假如我们可以或许谛听全部的引力波信号,而不但仅是此中那些最猛烈的信号,那么整个宇宙将像一座布满音乐的殿堂,就像丛林中种种鸟儿的合唱,种种声音此起彼伏。在数十亿年之后,随着两个黑洞宿命般的终极归并,音乐将迎来热潮,然后,一片死一样的沉寂,好像统统都未曾产生。为何云云平静?

  由于产生这些信号的源头太过迢遥了。引力波和光波一样,随着流传间隔增长,其强度会衰减。因此当引力波信号通报到我们这里时,它的强度已经大大削弱了——LIGO项目捕获到的引力波信号引发的时空变革,其水平不凌驾一个原子核直径的千分之一。

LIGO由两个完全雷同的巨大干预干与仪构成。
LIGO由两个完全雷同的巨大干预干与仪构成。

  LIGO——巨型干预干与仪

  对很多到场引力波研究的科学家来说,这个梦已经萦绕了凌驾五十年,而实现空想的路不但漫长、曲折,有时间还非常艰巨。用于探测引力波的第一台探测器就像一把音叉,只对某一特定频率的波敏感。但是,马里兰大学的约瑟夫?韦伯(Joseph Weber)只能推测黑洞在碰撞融适时会以什么样的频率“引吭高歌”。他在20世纪60年代创建了第一台探测器,其时很多人都对引力波,乃至黑洞的存在示意猜疑。因此,当韦伯在20世纪70年代公布已经探测到引力波时,引发了科学界的惊动。然而,没有人可以或许重复韦伯的效果,他的观察被以为是误报。

  在20世纪70年代中期,只管猜疑的声音不停,但基普?索恩和莱纳?魏斯刚强地以为,引力波可以或许被探测到,而且将为我们对宇宙的熟悉带来革命性的影响。莱纳?魏斯已经对大概滋扰丈量的配景噪音泉源举行了阐发。他还涉及了一台探测器——基于激光的干预干与仪,可以很好地办理噪音题目。

  就在莱纳?魏斯在麻省理工学院研发探测器的同时,基普?索恩也开始与朗纳?德瑞福(Ronald Drever)互助,后者在苏格兰格拉斯哥大学创建了引力波干预干与探测器的雏形。德瑞福厥后搬到洛杉矶的加州理工学院,参加索恩的研究团队。魏斯、索恩和德瑞福三人成为了引力波探测范畴的先驱,向导了该范畴多年以来的生长。德瑞福终极脱离了LIGO项目标重要门路,但照旧得以见证引力波的初次发明。2017年3月7日,德瑞福在苏格兰爱丁堡的家中辞世,享年85岁。

  与韦伯的“音叉”计划差别,莱斯、索恩和德瑞福开辟了另一种装置:一台激光干预干与仪。该装置的原理早已为人所知:由两支长臂构成“L”形的干预干与仪,在“L”形的角和两头,将巨大的镜子悬挂在一个细密的装备之内。颠末的引力波对干预干与臂的影响差别——此中一支臂被压缩,另一支臂则伸长。

  通过在镜子之间反射的激光束,天文学家可以丈量出两支干预干与臂的长度变革。假如没有环境产生,反射的激光会在“L”形转角处相互抵消。假如此中一支干预干与臂的长度改变,那激光移动的间隔就差别,从而失去同步性,并使激光在相遇时的强度产生改变。

  根本的想法很简朴,但是要害在于细节——怎样真正实现探测?使用大型办法去检测不到原子核直径还小的微观变革绝非易事,科学家们耗费了凌驾40年的时间才做到这一点。科学家们给出的方案是如许的:制作两台大型干预干与仪,每一台都有长达4公里的直线管道,光芒可以或许在此中多次反射,从而通过延伸光芒流传路径的方法放大时空中大概存在的任何拉伸或紧缩。

  LIGO的此中一台办法建在美国西北部的大草原上,就在华盛顿州汉福德四周,别的在约莫3000公里之外的路易斯安那州列文斯顿四周也创建了一台千篇一律的办法。计划并制造可以或许举行云云准确丈量的各种装备仪器耗费了许多年时间。这必要庞大的阐发和先辈的理论,幸幸亏这方面加州理工学院的基普·索恩是专家。但是,要想研制这些尖端装备,你必要惊人的工程学天才和工艺本领,而在这方面莱纳·魏斯作出了开创性的孝敬。别的,激光的波长和强度都必须尽大概稳固,而且光波必须可以或许准确击中管道内悬吊的反射镜。这也就是说,悬吊的反射镜完全不可以有任何晃动或震惊,即便四周有树叶飘落,孩子们在四周奔驰,乃至远处有卡车驶过。但与此同时,这些悬吊的镜面又必须确保在有引力波信号通过期,即便是最薄弱的信号也可以或许确保使其晃动。你还必须赔偿反射镜外貌的原子热活动以及激光量子效应所产生的偏差。

  这就意味着必须研发新的激光技能,开辟全新的质料,制作巨大的真空管道,研发先辈的避震技能和大量其他方面的全新计划和技能。很快人们就发明,要想运行如许一个办法,一个小范围的团队会显得力有未逮。于是到了1994年,当巴里·巴里什接过LIGO卖力人职务之后,他将本来仅有40人左右的小团队敏捷扩充,形成一个包罗上千名来自环球各地科学家的国际互助团队。他随处探求切合条件的良好专家,并为项目组带来各个国度的无数良好的研究团队。正是通过这种大科学项目中的通力互助,初次引力波探测的壮举才气变为实际。

捕获引力波信号的表示图。天文学家初次捕获到的引力波信号来自13亿光年外两个黑洞的剧烈碰撞。当这些引力波在13亿年后颠末地球时,强度已经削弱不少,它们对时空的扰动被LIGO记载下来,而这一扰动比原子核还小数千倍。
  捕获引力波信号的表示图。天文学家初次捕获到的引力波信号来自13亿光年外两个黑洞的剧烈碰撞。当这些引力波在13亿年后颠末地球时,强度已经削弱不少,它们对时空的扰动被LIGO记载下来,而这一扰动比原子核还小数千倍。

  立刻传回的信号

  2015年9月,在为期数年的升级完成之后,LIGO预备再次启动。如今,研究团队有了更强盛的激光、重达40千克的镜子、极为先辈的噪音过滤装置,以及天下上最大的真空体系之一。在实行正式开始的几天之前,他们就捕获到了引力波信号。这个波先是颠末利文斯顿的探测器,以光速流传了7毫秒之后,出如今3000公里以外的汉福德区。

  2015年9月14日清早,从盘算体系得到的信息发送了出去。此时的美国还沉醉在梦境之中,但是在德国的汉诺威,时间是上午11:51;在马克斯普朗克引力物理研究所,年轻的物理学家Marco Drago正预备享用午餐。突然间,他瞥到了一道曲线,而这正是他训练辨认了无数次的曲线外形。他真的要成为天下上第一个看到引力波的人了吗?大概这只是一个误报,是只有少数人知道的一场随机盲测罢了?

  这个波的外形与猜测的完全同等,并且这不是一场测试。统统都完善地符合。现在,引力波研究的先驱者们都已经八十多岁,他们的LIGO同事们终于将他们魂牵梦绕的引力波出现在面前。这个消息好像太好了,以至于有点不真实。在第二年2月消息宣布之前,LIGO团队的成员们都还不被答应把消息透露给任何人,乃至他们的家人。

  这次被称为“GW 150914”的探测变乱没有辜负研究职员的等待。从引力波信号中,他们发明两个目的黑洞分别比太阳重29和36倍,但直径都不凌驾200公里。它们融合形成的黑洞约莫为62倍太阳质量,因此在非常之几秒的时间里,它们以引力波的情势开释出了相称于3倍太阳质量的辐射。GW 150914变乱也成为这段极短刹时内宇宙中产生的最猛烈的辐射变乱。该信号还表明,此次剧烈的变乱产生在南边天空,间隔地球约13亿光年。这意味着黑洞碰撞产生在13亿年前,其时地球上的生命正从单细胞向多细胞生长。

  在初次发明之后,LIGO还观察到了两次相似的变乱。位于欧洲的“童贞座干预干与仪”(VIRGO,位于意大利比萨四周)在2017年8月参加了LIGO,并在9月27日公布了他们的第一项团结发明结果。全部三台探测器都在2017年8月14日探测到了雷同的宇宙引力波——来自18亿光年外两其中型黑洞的碰撞。

  这些探测器至今已经观察到了4次“宇宙荡漾”,而天文学家等待着更多的发明。印度和日本也在建立新的引力波观察台。有了相距迢遥的多个探测器,研究职员将可以或许准确地找出信号源头。有了引力波的观察效果,天文学家还可以使用光学望远镜、X射线望远镜和其他范例的望远镜做进一步的研究。

  停止现在,全部电磁辐射和粒子,如宇宙射线和中微子等,都已经被用来探究宇宙。然而,引力波是时空自己存在扰动的直接证据。这是一种全新的、差别的工具,为人类开启了完全生疏的天下。对付能乐成捕获引力波并翻译此中信息的研究者来说,这意味着无数新奇的发明等候着他们。(晓风,任天)

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