
三位美国科学家刚刚因在时空领域的突破性发现而荣获诺贝尔奖,LIGO团队天体物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯向我们讲述了所有为此作出贡献的研究者、研究工作与技术。
大约100年前的1915年,爱因斯坦发表了广义相对论。尽管名为”相对论”,它实际上是一套解释引力的理论。该理论指出,质量——即所有物质,包括各大行星——会相互吸引,这并非源于某种瞬时作用力,而是因为所有物质都会使柔性时空结构产生弯曲。
时空是我们赖以生存、彼此相连的存在。就好比我们躺在床垫上,身体的重量会使床垫凹陷变形。质量在感知到这种时空曲率时便会运动,沿着弯曲的路径前行——就像同床共枕的人会因床垫的凹陷而自然靠拢一样。
一年后,爱因斯坦从他的理论中推导出引力波的存在,并指出这些波是由质量运动产生的。例如,当两颗恒星相互绕转时,它们会在时空中激起涟漪,将能量从系统中带走,使两颗星逐渐靠近。然而,他同时也估计这些效应极其微弱,认为人类永远不可能将其测量出来。
很久很久以前,两个黑洞相互绕转,不断加速,直至接近光速,最终合并成一个巨大的黑洞。
经过数十年间众多国家数百位科学家的共同努力,引力波终于在2015年被人类首次探测到。故事要从13亿年前说起。在遥远的星系中,两个黑洞相互绕转——用我喜欢的说法,就是在跳探戈。它们起初运动缓慢,但随着引力波的不断辐射,两者越来越近,速度不断加快,直至以接近光速旋转,最终合并为一个质量相当于60个太阳、却被压缩在360公里范围内的单一黑洞。(那大约是我居住的路易斯安那州的大小。)这一惊人事件产生的引力波,将这场宇宙级”拥抱”的消息传递到了宇宙的每个角落。
我们花了很长时间才弄清楚引力波的影响,因为我们探测它的方式是寻找其在距离上留下的痕迹。2015年,当引力波经过地球时,它引发了所有距离的变化——你们彼此之间的距离、你们与我之间的距离、我们的身高——每个人都在微微伸展和收缩。理论预测这种效应与距离成正比,但它依然极其微小:即便是远超我身高的距离,这种效应也是无限小的。举例来说,地球与太阳之间的距离变化仅相当于一个原子的直径。
2015年,我们本以为不会从LIGO采集的数据中发现任何信号——然而大自然给了我们一个惊喜。
这究竟该如何测量?五十年前,加州理工学院和麻省理工学院的几位富有远见的物理学家——基普·索恩、罗恩·德雷弗、雷·韦斯——认为,可以利用激光精确测量相距数公里的镜子之间的距离变化。(编者注:2017年10月3日,索恩和韦斯与巴里·巴里什一同因这项工作荣获诺贝尔物理学奖。)
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