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為什么突然發(fā)現(xiàn)引力波?

2016年02月17日 19:41:00  來(lái)源:中國(guó)網(wǎng)
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   2016年2月11日,北京時(shí)間23:30分,美國(guó)加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院、激光干涉引力波觀測(cè)站(LIGO)科學(xué)聯(lián)盟、以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)向全世界宣布:我們真的探測(cè)到引力波!

  1915年,愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論論文,論證了引力的本質(zhì)是時(shí)空幾何在物質(zhì)影響下的彎曲。1916年,愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論的框架內(nèi)又發(fā)表論文論證,引力的作用以波動(dòng)的形式傳播,這就是引力波。

  100年來(lái),愛(ài)因斯坦的假說(shuō)吸引了無(wú)數(shù)物理學(xué)家來(lái)證實(shí),但是,誰(shuí)也無(wú)法證實(shí)引力波的存在。現(xiàn)在,科學(xué)家終于用LIGO探測(cè)器探測(cè)到距離地球約13億光年的兩個(gè)大約30個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞碰撞所發(fā)出的引力波。

  既然100年來(lái)引力波都沒(méi)有發(fā)現(xiàn),那么現(xiàn)在是怎么發(fā)現(xiàn)的呢?這就是由激光干涉引力波觀測(cè)站(LIGO)發(fā)現(xiàn)的。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)在1990年批準(zhǔn)建設(shè)LIGO,1992年在華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓建設(shè)兩個(gè)LIGO,1999年竣工,2001年開始收集數(shù)據(jù)。

  2015年9月14日,位于德國(guó)漢諾威馬普學(xué)會(huì)引力物理研究所LIGO團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家注意到一個(gè)奇怪的信號(hào):類似一只鳥兒的啁啾聲,且螺距迅速遞增的一種聲波。后來(lái),科學(xué)家表示探測(cè)到的是由黑洞合并產(chǎn)生的一個(gè)時(shí)間極短的引力波信號(hào),被命名為GW150914,持續(xù)不到1秒。它經(jīng)過(guò)13億年的漫長(zhǎng)旅行。同時(shí),科學(xué)家認(rèn)為,兩個(gè)黑洞合并前的質(zhì)量分別相當(dāng)于36個(gè)和29個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,合并后的總質(zhì)量是62個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量以引力波的形式在不到1秒的時(shí)間內(nèi)釋放,釋放的峰值能量比整個(gè)可見宇宙釋放的能量還要高出約50倍。

  對(duì)于引力波的發(fā)現(xiàn),英國(guó)著名理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金作了一個(gè)評(píng)價(jià),“引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。(人類)探測(cè)到引力波的這種能力,很有可能引發(fā)天文學(xué)革命!

  簡(jiǎn)單地講,這一發(fā)現(xiàn)打開了人們感知、了解、觀察、認(rèn)知和解釋大千世界的更為廣袤的新空間。如果說(shuō),過(guò)去人類認(rèn)識(shí)世界只是靠眼耳鼻舌身這些不同的感知窗口,然后靠大腦來(lái)合成這些不同感官所感知到的事物的全貌,那么,引力波的被檢測(cè)到就為人們認(rèn)知世界打開了一扇或幾扇大門,讓人類能用其他的感知途徑,例如被人們一直以來(lái)所指稱的第6感,來(lái)更為全面和深刻地觀察世界和看待事物。

  過(guò)去人們并不能檢測(cè)到引力波并不意味著引力波不存在,這正如人們聽不到次聲和超聲一樣,但它們確實(shí)存在。只有通過(guò)特定的儀器才能檢測(cè)到次聲和超聲的存在,并且能讓人們認(rèn)識(shí)次聲和超聲,利用它們趨利避害。

  引力波的存在和被檢測(cè)到也提出了一種新的思維視角,迄今我們?nèi)祟愓J(rèn)識(shí)的世界并非只是自身的感覺(jué)器官所認(rèn)識(shí)的世界,或者并非是世界本來(lái)的樣子,我們有限的感知所形成和顯示出來(lái)的可能是被歪曲的世界,大量的復(fù)雜的和多元的世界還不被人類所認(rèn)知,而且迄今被我們視為所認(rèn)知的客觀世界并非是客觀的,因?yàn)橄褚Σㄟ@樣反映和描摩的世界在之前還沒(méi)有被人類所感知和認(rèn)識(shí)到,它們所描繪的世界就存在黑洞,而黑洞是我們的感官所直接感知不到的。

  這個(gè)原理也非常類似人和其他動(dòng)物由于感知世界的器官和工作原理的不同,而對(duì)世界的認(rèn)知差異較大,甚至根本不同。例如,人有三種視錐細(xì)胞,通過(guò)探測(cè)不同的波長(zhǎng)并進(jìn)行組合,能看到事物的七彩色調(diào),但是狗只有兩種視錐細(xì)胞,因此它們看到的物體色彩就少一些和淡一些。犰狳和樹懶則只有視桿細(xì)胞而無(wú)視錐細(xì)胞,它們看到的世界只是黑白世界。所以,狗、犰狳和樹懶與人看到和認(rèn)識(shí)的世界完全不同。

  以此來(lái)看,人類過(guò)去看不到或檢測(cè)不到引力波的存在如同犰狳和樹懶只有視桿細(xì)胞而無(wú)視錐細(xì)胞一樣,對(duì)世界的感知可能只是黑白的,并且認(rèn)為這才是世界的本來(lái)面目。幸運(yùn)的是,人能制造工具和儀器來(lái)彌補(bǔ)人類感官的缺陷,在LIGO探測(cè)器的幫助下,就如同讓犰狳和樹懶獲得了視錐細(xì)胞一樣,讓人看到了世界是七彩的,甚至是更多彩的,也就會(huì)改變認(rèn)知,認(rèn)為彩色的世界比起黑白的世界來(lái)才是更真實(shí)的客觀世界。探測(cè)引力波也就能更真實(shí)地認(rèn)知、展現(xiàn)和盡最大可能地還原世界的本來(lái)面貌。

  不過(guò),對(duì)于發(fā)現(xiàn)引力波,也存在質(zhì)疑。1916年,愛(ài)因斯坦在系統(tǒng)闡述其廣義相對(duì)論(該理論認(rèn)為引力是大質(zhì)量天體周圍發(fā)生的時(shí)空扭曲)時(shí)提出一個(gè)問(wèn)題,當(dāng)一個(gè)天體晃動(dòng)時(shí),會(huì)發(fā)生什么。第二年,他給出的答案是,時(shí)空會(huì)產(chǎn)生漣漪,形成“引力波”,并以該天體為核心以光速向外擴(kuò)散。此后,不僅愛(ài)因斯坦本人,就連其他科學(xué)家也有贊同和反對(duì)的不同看法。

  現(xiàn)在,既然發(fā)現(xiàn)了引力波,人們提出的一個(gè)質(zhì)疑是,能不能證明黑洞的存在,因?yàn)檠芯咳藛T稱這是兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波。但是,目前沒(méi)有其他證據(jù)來(lái)旁證兩個(gè)黑洞的存在。

  第二個(gè)質(zhì)疑是,今后能不能重復(fù)性地證明引力波,因?yàn)榭茖W(xué)研究的規(guī)律之一是,結(jié)果和結(jié)論具有可重復(fù)性。但是,一般認(rèn)為,重復(fù)檢測(cè)黑洞產(chǎn)生的引力波是不可能的,只是一次性的。第三個(gè)質(zhì)疑是,引力波在13億光年傳播過(guò)程中是否有變形。13億光年是一個(gè)非常遙遠(yuǎn)的距離,引力波在傳播過(guò)程中,遇到諸如其他黑洞、暗物質(zhì)和暗能量一類的大質(zhì)量物體,就會(huì)造成引力波的波形變形或嚴(yán)重變形。

  所以,此次測(cè)量到的是否為引力波,值得進(jìn)一步研究。

  當(dāng)然,對(duì)引力波的解釋,也有物理學(xué)家認(rèn)為不能把它比喻為今天人們普遍用采用的兩上類比,一是電磁波,二是水波,因?yàn)樗鼈兌伎梢援a(chǎn)生漣漪。但是,實(shí)際上,愛(ài)因斯坦認(rèn)為,引力波是時(shí)空曲率在以波的方式傳播,并不像電磁波那樣是一個(gè)摸得著的電磁場(chǎng)的波動(dòng)。在廣義相對(duì)論中,引力不是“力”,或者說(shuō)本沒(méi)有什么引力。所有物體都以自由落體的方式在非平直時(shí)空中運(yùn)動(dòng),因此引力波是時(shí)空曲率的波動(dòng)。

  盡管有這些質(zhì)疑,但引力波的發(fā)現(xiàn)和闡釋為人類觀察宇宙和事物提供了另一種方式。那么,目前通過(guò)引力波來(lái)觀察世界是不是就更能還原一個(gè)本真的世界呢?至少現(xiàn)在還不能,因?yàn),人類還缺乏解讀引力波所呈遞的世界是一個(gè)怎樣的世界的能力,引力波向人類展現(xiàn)的世界不是直接的,它只是從一個(gè)側(cè)面證明了黑洞的存在,目前還沒(méi)法通過(guò)引力波去精確地測(cè)定黑洞附近的幾何結(jié)構(gòu),更何況引力波不會(huì)像相機(jī)一樣呈現(xiàn)一個(gè)物體的幾何形狀和色彩。

  所以,引力波的被檢測(cè)到只是為人類感知和認(rèn)識(shí)世界拓寬了視野。

[責(zé)任編輯:李杰]

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