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十万个为什么丨为什么要搜索引力波

2018-09-14 09:40来源:科普中国网

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  作者:李良

  2015年9月14日,人类首次直接探测到了引力波。那么,为什么要搜索引力波呢?

  引力是物质世界的一种客观属性。牛顿以精确的数学形式表述的万有引力定律,是人类对引力认识的第一座里程碑。后来,由于牛顿引力理论对解释一些天体物理问题遇到了困难,爱因斯坦于1916年提出了著名的广义相对论,其中预言,宇宙中存在着引力波。

  什么是引力波呢?一般说来,引力波即引力的波动,它与引力的强弱变化有关。引力波由加速运行的物体所产生,其传播速度等于光速,并且在时间—空间的结构中引起波动。它与电磁波、声波和水波不同,宇宙间所有物质都会受到引力波所造成的变形。在理论上,任何运动的物质都会产生引力波。

  如果你把一只台球悬挂起来,使它像打秋千似的荡来荡去。当它荡到比较靠近你时,其引力作用比离你较远时更为大些,就形成引力波。换句话说,球的摆动,使它的引力发生一种像波那样起伏的变化。实际上,这种波的强度是极其微弱的。要产生较强的引力波,物体的质量必须较大。所以说,只有巨大的恒星坍缩或爆炸时所产生的引力波才可能被测到。

  在爱因斯坦预言引力波存在之后的许多年中,科学家做了不少实验来搜寻引力波。美国马里兰大学的韦伯教授,是第一个从20世纪50年代开始就认真进行引力波测定工作的。韦伯把一个大铝桶悬在真空室内,使之冷却到接近绝对零度(约-273℃),然后测定来自太空的引力波穿过铝桶时所引起的微小膨胀和收缩。后来,国际上不少研究者都效法韦伯研究引力波。遗憾的是,人们始终未能搜寻到引力波。这是因为引力效应的极端微弱,使得处理引力的一些技术问题困难重重。

  1974年10月,在波多黎各的阿雷西博天文台,美国科学家泰勒等人应用世界上最大的射电望远镜,发现了一颗脉冲星——PSR1913+16。这颗距地球16000光年的星,竟以300千米/秒的高速与一个黑暗的伴星互绕转动,但其转动周期在4年中缩短了0.4亳秒(即每年缩短0.1毫秒)。这意味着它的能量由于不断地辐射引力波而在逐渐地损耗。他们把观测值与根据广义相对论理论的计算值相比较,发现符合得很好。由此,间接地证明这颗脉冲星在辐射引力波。4年之后,泰勒在国际天体物理学大会上宣布了这一观测结果,当即在科学界引起了轰动。

  科学家一旦测到了引力波,并能进行常规测定,将会为人们提供第一次(也是最好的)机会来研究恒星发展中和黑洞的中心处所发生的巨大变动。有人设想,由于引力波不会被屏蔽,可以利用它作穿透地球的通信联系。引力波将成为宇宙的“电视”波,在宇宙中的每一件大事都会作为一个节目而被播放出来。但是,利用引力波的研究,很可能解开许多现在用光学望远镜和射电望远镜所难以揭示的宇宙之谜。总之,如果能观测到引力波,将使现代物理学进入崭新的境界,也将为观测宇宙打开一扇新的窗户。这扇窗户可以说是有史以来人或机器所窥视过的最清晰透明的窗户。

[责编:张佳兴]

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