1樓:**
美國鐳射干涉引力波天文臺ligo團隊發現引力波,堪稱是21世紀物理學最重大的發現。它的出現,甚至比2023年歐洲核子中心cern發現希格斯玻色子更加激動人心。在物理學各大領域都被量子理論佔據的今天,它成了經典物理最後的榮耀與豐碑。
引力波探測:幾十年上下求索
自從廣義相對論預言引力波之後不久,人們便開始追尋引力波。到今天,已經度過了幾十個春秋。發現引力波有什麼意義呢?大致有以下三方面。
首先,引力波探測證實了愛因斯坦以及合作者的預言,再一次驗證了廣義相對論。
其次,就像電磁波和放射性現象一樣,引力波是人類瞭解這個宇宙的新視窗。引力波的發現標誌著人類進入了一個新的時代,開創了人類瞭解世界的新方式。(2023年赫茲發現電磁波時,誰能想象130年後,電磁波已經走進每個家庭。
2023年貝克勒爾發現放射線的時候,誰能想到現在每一家醫院都能留下核物理的足跡。)
再次,引力波可以提供宇宙發展演化的資訊,有助於我們進一步瞭解宇宙(諸位還記得2023年bicep衛星宣稱發現了原初引力波嗎?後來確定是**於星際塵埃的干擾。原初引力波可以反映宇宙早期的性質)。
20世紀60年代,美國馬里蘭大學物理學家韋伯曾利用長2米、質量為1噸的鋁筒進行引力波探測,2023年甚至宣稱發現了引力波,但同行們卻無法重複他的結論。
後來人們利用邁克爾遜-莫雷干涉原理來探測引力波。邁克爾遜-莫雷干涉儀是利用兩束鐳射進行干涉的裝置,當兩束光的路程不一致時,便會產生干涉現象。通過觀察干涉條紋,便可進行精確測距。
歷史上,邁克爾遜和莫雷曾經利用這樣的儀器發現了真空中的光速不變。
邁克爾遜-莫雷干涉儀
這次ligo使用的堪稱豪華版邁克爾遜-莫雷干涉儀,只不過干涉臂換成了4km長的「跑道」。引力波是時空的漣漪。當有引力波傳來時,彎曲的時空會使得4km長的跑道發生「形變」(拉長或壓縮)。
利用鐳射束的干涉,可以精確地測量4km「跑道」上由引力波引起的長度變化。因為引力波所產生的「形變」效果太微弱了,在10的負20次方量級,探測它們實在是難上加難。
ligo引力波探測
100多年前,邁克爾遜—莫雷干涉儀的出現驗證了光速不變;100多年後,ligo團隊用豪華版邁克爾遜-莫雷干涉儀觀測到了廣義相對論中的引力波。邁克爾遜-莫雷干涉儀為愛因斯坦厥功甚偉,愛因斯坦看到了今天這一幕,必會在陰間大擺筵席,與邁克爾遜和莫雷一醉方休。可見,每一個成功的理論物理學家背後,都有一批成功的實驗物理學家。
ligo之後,還有歐洲的lisa(鐳射干涉空間天線),它是一個規劃中的引力波探測專案,利用三顆衛星在天空中排成個三角形,衛星上高精度的鐳射器彼此發射鐳射來進行干涉。90年代歐洲人捉摸著,六十年代韋伯用鋁筒和鋁棒沒有能發現引力波,是因為精度不夠;ligo用4km長的「干涉臂」,還沒有找到引力波,那必然是距離還不夠大。所以,我們用相隔成千上萬公里的衛星,作為干涉臂,這下距離總夠了吧。
圖為lisa引力波探測計劃
中國引力波探測,是機會還是大坑?
自從二戰以後,各發達國家競相提出引力波探測計劃,而這方面,中國長期以來都是空白,這是一個巨大的遺憾。
很多人不看好中國引力波探測,認為引力波已經被ligo團隊發現了,中國再去搞什麼天琴計劃,純屬多此一舉,既得不了諾貝爾獎,又沒有什麼實際用途,只能為他人作嫁衣裳。
這裡邊牽扯兩個問題。其一,ligo發現引力波是否意味著引力波領域的主要工作已經做完,只剩下殘羹冷炙,再無研究價值,更無獲得諾貝爾而獎的希望?其二,引力波探測技術是否是空中樓閣,毫無應用價值?
引力波按頻率可以分為高頻、中頻和低頻三種,這次ligo發現的是中頻部分的引力波。三種引力波的**、性質、探測手段並不完全相同。這些性質上的差別決定了高頻、中頻和低頻引力波的應用方向定會有很大差別(如果將來有一天引力波技術能走向應用)。
2023年,bicep衛星宣稱發現的是宇宙大**早期的原初引力波,而這次ligo發現的是兩黑洞融合產生的引力波,兩者又不相同。可見,引力波不是單一的。並不表明ligo發現了引力波,這個領域就塵埃落定了,就再也沒有其他人的事情了。
君不見,電磁波產生了多少個諾貝爾獎,放射性產生了多少個諾貝爾獎,加速器和中微子產生了多少個諾貝爾獎,超導又產生了多少個諾貝爾獎。引力波是個巨大的寶庫,催生出多少諾貝爾獎,還未可知。
退一步說,即便ligo之後,真的沒有可能得引力波的諾貝爾獎了,中國探測引力波是否毫無意義,我看也未必。在這裡我們先不談引力波本身的應用價值(因為引力波本身距離實際應用還會有很長一段距離),只說說空間引力波探測技術在其它領域的應用價值。像天琴計劃這樣的太空探測,需要對幾顆衛星間的距離進行精確測量,也需要對鐳射束進行嚴格校準,還需要排除太空中各種背景的影響。
它不僅會滿足引力波這樣的純科學探索,對於空間測距以及鐳射技術也是巨大的促進。
從引力波探測看大科學裝置實驗
一般來說,在科學研究中,別人做過的點子,你再做就沒什麼意思了。但大科學裝置存在例外情況,因為大學科裝置需要經驗,需要積累,需要傳承。一方面是科學上的,一方面是配套的工程技術上的。
沒有小工程,沒有前期的工程基礎,很難在短時間內建起像樣的大工程。因此,沒有前期基礎,僅憑某天的一個點子,一個機遇,就指望讓一個大裝置拔地而起,是不現實的。即便建起來,估計事故也不會少。
因此,對於這類涉及大科學裝置的實驗,能獨樹一幟固然很好,但也不是所有仿照別人的專案都沒有價值。
任何大科學裝置從投資到建設,從維護到升級,從執行到分析,從採集第一個資料到發表最後的結果,都經過了幾年甚至幾十年的崢嶸歲月。人們往往只能看到它們的成功,卻看不到它們背後的艱辛。
就比如ligo團隊,在他們從2023年啟動,經過了升級和再升級之後,才有了今天的發現。裡邊複雜的探測技術,各種精密儀器,不是一朝一夕就能完成的。而且大多數時間裡,ligo都一無所獲,扮演著失敗者的角色。
以至於像我這樣的外緣人士,前幾年已不對ligo抱有什麼希望了,一心期望著lisa早日出來救市。
從九十年代至今的二十餘年裡,ligo團隊的花費不下十億美金。在ligo團隊未成功的那些年代裡,想必也曾飽受爭議,想必也曾受到這樣的諷刺:他們花了納稅人這麼多錢,什麼也沒探測到,真是一群廢物!
在2023年之前,對於引力波花落誰家,是美國的ligo捷足先登,還是歐洲的lisa奪得桂冠,誰也無從知道。
科學的發現頗有些戲劇性,一人得道,雞犬**。如今,ligo搶了頭功,成為聞名天下的明星,儘可指點江山,激昂文字。而lisa出師未捷,便先聞噩耗,此刻lisa團隊的研究者的心情可以用本山大叔小品中的臺詞來形容——我的心是哇涼哇涼的呀!
但決並非意味著lisa失去了存在的意義。如果說ligo代表了中頻引力波探測的尖端,lisa則代表了低頻引力波探測的尖端,而且,lisa也有著一些ligo沒有的技術。它們一個地面,一個太空一箇中頻,一個低頻,遙相呼應,熠熠生輝。
未來,在浩淼的天空中,相信lisa終會有一席之地。
假如lisa和其它引力波探測專案因此自暴自棄,不再前進,引力波領域就會被美國做大做強。我想,同樣的道理也適合於中國。中國的太空引力波探測,本來就比lisa起步晚,再畏縮不前,拿什麼去和未來的lisa爭呢?
出品:科普中國
製作:小曲
監製:中國科學院計算機網路資訊中心
「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用資訊化手段開展科學傳播的科學權威品牌。
2樓:天山我才
引力波是假設的,設立的一個定義,無意義。。。。。。。。。。。。。
引力波的那些事:中國的引力波探測還有意義嗎
小曲:中國的引力波探測還有意義嗎
引力波的發現有什麼意義?
3樓:匿名使用者
引力波最重要的意義在於,人類從過去到現在所有對自然界的觀測,包括天文觀測,主要依賴於電磁波,也就是雷達或者光學波段的電磁波對未知世界進行探測。而有了引力波以後我們就對自然界多了一種探測手段,這是一個質的差異。引力波的探測有可能使我們瞭解到更豐富的有關於黑洞、中子星等等這些天體在發生一些現象和劇烈變化時的時空變化,所以說它對於瞭解物質世界是非常有用的。
引力波的發現對於物理學有著里程碑的意義,證實了愛因斯坦100年前的預言,完善了相對論的證明。提供了一種全新的觀測宇宙的工具,此前的觀測只能依靠「眼睛」,現在還可以使用「耳朵」。此外還有以下意義:
①證明了黑洞的存在;②證明引力波以光速傳播;③為恆星**,中子星的形成,宇宙膨脹速度和測量提供了有利的研究工具。
「原初」在宇宙學中一般是泛指「複合之前」這個階段。宇宙在大約38萬年的時候,隨著溫度的降低,自由質子和電子重新結合成中性原子——所謂「複合」。此時,等離子體的霧霾散去,宇宙變得透明,光可以暢行無阻。
於是這些光,經過137億年的征程,進入我們的「眼睛」,即是所謂「宇宙微波背景輻射」——嬰兒宇宙38萬歲時的**。
「宇宙微波背景輻射」在2023年就被貝爾實驗室的penzias和wilson發現了,併為二人帶來了2023年的nobel物理學獎。
在早期宇宙研究中,「原初」更進一步特指「宇宙學暴漲」——宇宙極早期經歷的急劇加速膨脹過程——時期。
回到引力波。通常的「結構」——星系、超星系、超星系團,是宇宙空間中質量「密度」的起伏。密度是空間的「標量場」,而引力波——卻是空間的「張量場」波動。
為什麼探測到引力波有如此重大意義
4樓:紅安縣革命老區
直接探測到引力波有多重要?包括中國科學家在內的多國家科學家認為,新發現不僅填補了廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的拼圖,讓現代物理學的根基更加堅實,也意味著科學家抓住了揭開宇宙奧祕的「鑰匙」,有助於瞭解宇宙的起源和執行機制。
英國著名理論物理學家斯蒂芬·霍金表示:「引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。(人類)探測到引力波的這種能力,很有可能引發天文學革命。」
全球近千名科學家參與了搜尋引力波的專案,其中有來自中國清華大學的科研團隊,包括該校資訊科技研究院研究員、天體物理中心兼職研究員曹軍威,以及計算
機系副教授都志輝和王小鴿等。參與研究的幾位科學家對新華社記者說,他們著重採用先進計算技術提高引力波資料分析的速度和效率。如果說引力波發現有重大意
義,那麼探測和資料分析技術水平的提高意義也同樣重要。
美國亞利桑那州立大學物理學家勞倫斯·克勞斯告訴新華社記者,發現引力波開啟了觀測宇宙的一個新視窗,就像望遠鏡的發明或太空無線電波的發現一樣。引力波天文學將成為21世紀的天文學。不僅如此,它可能還揭示了有關引力、黑洞及基本物理問題的性質的重要資訊。
南非誇祖魯-納塔爾大學的引力波研究專家馬寅哲說,天文學的發現幾百年以來主要靠電磁光譜的測量,射電、光學、紅外、x射線等天文觀測手段均是在收集
光,靠「看」觀測宇宙。引力波的發現則將從「聽」這一完全不同的角度進行天文觀測,引力波天文學這一學科的大門徹底被開啟。引力波將成為檢驗愛因斯坦相對
論、探測黑洞質量、測量宇宙距離等基本問題的新視窗。
此次主導發現引
力波的是「鐳射干涉引力波天文臺」專案(ligo)。參與該專案的美國賓夕法尼亞州立大學科學家查德·漢娜說,我們無法**引力波天文學將如何改變對宇宙
的基本認知,就像伽利略用他的小望遠鏡**不了哈勃太空望遠鏡展現給我們的宇宙那樣,「我們可以預期的是,100年後我們的後輩所知道的將與我們所知道的
有天壤之別」。
ligo原型機實驗室科學家埃裡克·金特羅對新華社記者回憶自己得知引力波可能被探測到的經歷說,「我們被告知不得聲張,我甚至沒有告訴家人,其實直到今天,我們還沒有好好慶祝,我只是在當時偷偷攥了下拳頭,對自己說『yes』」。
另一名ligo專案共同創始人、加州理工學院教授基普·托爾內說:「有了這一發現,我們人類將會開始不可思議的新探索:探尋宇宙扭曲的一面——由扭曲時空生成的天體與現象。」
托爾內也是好萊塢科幻大片《星際穿越》的科學顧問。有人在記者會上問這一發現對時間旅行有什麼意義,他回答說:「這大大加深了我們對在極端扭曲情況下的時空行為的瞭解,但我不認為它使我們距時間旅行更近一步。
我倒是希望如此,但那是兩個不同的方向。」
100年前,愛因斯坦的廣義相對論預言了引力波的存在。但愛因斯坦也曾認為,由於引力波太過微弱,它無法被探測到。參與ligo專案的墨爾本大學研究人員孫翎告訴記者,這次「我們既證明了他的正確,另一方面他也說錯了,我們真的探測到了」。
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近光速,不可能達到光速,達到了光速的物質的時間是暫停 光速,引力波只是空間的一中抖動,如果將空間看作水,那麼引力波就是漣漪,而波無內稟質量,當然可以達到光速 問一下日本東京大學有 宇宙物理學 這個學科嗎?這個學科怎麼樣?算好嗎?東大理工科裡面最好的專業是 10 東京大學的官網有中文版,需要什麼你自己...
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