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LIGO為什麽能夠成功? 除了引力波,還有其他被忽視的發現

來源: http://www.infzm.com/content/115278

人類首次直接探測到引力波的存在無疑是劃時代的科學發現。在公眾的註意力完全被引力波所吸引時,大家還忽視了另外一件重要的事實,那就是這次觀測也是天文學史上真正意義上第一次直接觀測到了雙黑洞系統,也是首次捕捉到雙黑洞並合過程的直接證據。

當地時間2016年2月11日,美國華盛頓,美國科研人員11日宣布,他們利用激光幹涉引力波天文臺(LIGO)於去年9月首次探測到引力波,證實了愛因斯坦100年前所做的預測。圖為激光幹涉引力波天文臺實驗室探測地點。 (CFP/圖)

美國當地時間2016年2月11日上午10點30分,美國科研人員宣布,他們利用激光幹涉引力波天文臺(LIGO)於2015年9月14日成功探測到引力波(現被稱為GW150914事件)。這一轟動全球的發現既驗證了愛因斯坦100年前的理論預言,也開啟了引力波天文學的新時代。

愛因斯坦也會驚訝的發現

長期以來,科學家一直希望能夠證實引力波的存在。但是引力波通常太微弱了,就連愛因斯坦本人也認為它難以被直接探測到。為什麽這一次激光幹涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,LIGO)能夠獲得成功呢?

LIGO於上世紀九十年代開始建造,在美國路易斯安娜州利文斯頓和華盛頓州漢福德各建造了一個,主要采用了邁克爾孫幹涉儀的原理尋找引力波蹤跡。從宇宙深處傳來的引力波會改變幹涉儀兩臂的相對長度,從而使得引力波信號被記錄在幹涉條紋的明暗之間。有兩個這樣的天文臺不僅可以相互驗證所測的引力波信號是真是假,也可以如人耳一般推斷引力波源的方位。這兩個耳朵的靈敏度自然是相當高的,差不多一百萬光年距離若有1米的變化,也能被覺察出來。

到2001年LIGO建設完成,被人們稱為初始LIGO(initial LIGO)。於2001年到2010年進行數據采集。其中在2009年人們通過大功率激光的引入等更為先進的實驗技術,建成加強版LIGO(enhanced LIGO)。但整個初始LIGO的觀測都沒有測到任何引力波信號。

2010年後,LIGO關閉,人們對他進行整體的升級。直到2015年9月升級初步完成,也就是現在的升級版LIGO(advanced LIGO)。比起2010年的初始LIGO,現在升級版的LIGO靈敏度提高約4倍。結下來升級版LIGO還會在不斷運行-調試,計劃到2020年達到預定的靈敏度,到時的靈敏度會是初始LIGO的約10倍。由於引力波強度隨距離成一次反比減小,所以4倍的靈敏度意味著升級版LIGO比初始LIGO可以觀測更遠4倍的波源,其所包含的體積增加4的立方即64倍。也就是說現在升級版LIGO會比初始LIGO多看到64倍的波源。這是LIGO實驗技術了不起的進步。

對比韋伯型共振棒探測器,LIGO的優勢在於它的寬頻帶探測能力。以剛公布的引力波事件為例,35-350Hz全部落入LIGO的敏感頻帶。寬頻帶特點也給引力波理論研究帶來機遇和挑戰。寬頻帶特點使得雷達數據處理的成熟技巧——匹配濾波(matched filtering)方法可以被用到引力波數據處理中來。該數據處理方法驚人的地方是,在既定硬件靈敏度前提下可以成百上千倍地提高信號探測能力。

但該方法工作的前提條件是對要探測的信號擁有準確的理論模型。為了建立引力波信號的理論模型,人們需要求解愛因斯坦方程。愛因斯坦方程作為自然科學中最為複雜的方程之一,針對現實引力波源解析求解基本沒有希望。好在數值求解對於引力波數據處理就已經足夠。數值相對論就是這麽一個理論研究方向。對於複雜的愛因斯坦方程,即使數值求解也已經折磨得人們絞盡腦汁。經過約半個世紀的苦苦掙紮,數值相對論在2005年後得到突破性發展。最終結合後牛頓近似,為LIGO服務的有效單體數值相對論理論模型(EOBNR)被建立起來。這次LIGO成功探測到引力波信號正是基於該理論模型。也正因為此,LIGO在物理學評論快報上的文章稱得到的信噪比24為匹配濾波信噪比(matched-filter signal-to-noise ratio)。所以可以說這次LIGO的成功既是實驗技術的成功,也是理論研究的勝利。

左圖是數值相對論計算所得引力波的空間分布行為,右圖是數值相對論所得引力波形(紅線)與有效單體數值相對論理論模型(綠線)的對比(數值相對論結果為AMSS-NCKU軟件包計算所得)。 (CFP/圖)

最後讓我們通過幾個主要數據來回顧LIGO在升級初步完成階段就觀測到引力波的GW150914事件。此次探測到的引力波是距離我們地球約13億光年的雙黑洞合並過程中輻射出來的。在此過程中兩個黑洞相互繞轉,不斷吸引,最終合而為一,變成一個黑洞。開始時,這兩個黑洞的質量分別為29個太陽質量與36個太陽質量。最後合二為一的黑洞質量為62個太陽質量。就是說合並後的總質量少了三個太陽質量。

根據愛因斯坦的狹義相對論,我們有質能關系,即質量可以轉化為能量。這丟失的三個太陽質量,正是以引力波的形式向四周輻射出去的。這三個太陽質量的丟失其實並不特別讓人震驚。太陽也在損失質量,只不過主要通過聚變方式將核能以電磁波的方式釋放出來。我們地球上的生物僅靠著這一個太陽輻射的能量就可以生存長達一百億年。

讓人震驚的是這三個太陽質量的能量竟然是在不到1秒的時間內輻射出來的!引力波GW150914的另外一個特點是頻率由小變大,最後還發出一聲猶如鐘響的聲音。前者是因為兩個黑洞在彼此靠近時,它們的繞行頻率會變得越來越大。而最後一聲有如鐘響是因為余音漸漸被合並成的大黑洞給吃掉了。根據這個余音的特征,我們可以反推出這個合並後的大黑洞的質量與轉速。最後值得一提的是這次數據信號置信度達到了5.1σ,就是說有99.99998%的把握是正確的,按照科學實驗的慣例達到了被稱為發現的標準。

LIGO此次對並合雙黑洞引力輻射的成功探測,進一步驗證了愛因斯坦廣義相對論的正確性,再一次讓人感受到愛因斯坦的偉大,也更讓人深刻體會到理論和思辨在推動科學向前發展過程中所起的巨大作用。在MIT工作的實驗物理學家Rainer Weiss提出了建造LIGO的原始想法,對於此次發現,他說:“你根據愛因斯坦理論計算出來的東西看上去和信號幾乎一樣,這真是一件不可思議的事情!”成功探測到引力波的同時,大家還忽視了另外一個重要的事實,那就是此次觀測也是天文學史上真正意義上第一次直接觀測到了雙黑洞系統,也是首次捕捉到雙黑洞並合過程的直接證據。霍金(Stephen Hawking)在接受BBC專訪時說:“引力波提供看待宇宙的嶄新方式,發現它們的能力有可能使天文學產生革命性的變化。這項成果首次發現了黑洞的二元系統,首次觀察到黑洞融合。”

引力波開創怎樣的新時代

LIGO探測到引力波信號的新聞發布後,引起了全球性的轟動。麻省理工學院(MIT)校長罕見地就人類首次探測到引力波致信全校:“我們今天所慶祝的(引力波)發現體現了基礎科學的悖論,它既是辛苦的、嚴謹和緩慢的,又是激動人心的、有革命、啟迪意義的。沒有基礎科學,最好的猜想充其量依然是猜想,“創新”也只能是修修補補。隨著基礎科學的進步,社會也就進步。”

加拿大理論物理圓周研究所是國際著名研究機構,當多數物理學家聚集在一樓餐廳觀看新聞發布會現場直播聽到宣布發現引力波那一刻,掌聲雷動。而愛因斯坦當年任職的普林斯頓高等研究院,歡慶程度也宛如打贏了世界大戰。

而國內各大新聞媒體與網絡交流平臺也爭相報道,各微信朋友圈都被引力波的新聞刷屏,瞬間激起了大家對引力波和廣義相對論時空理論的好奇,更有不少網友提出了許多有趣而值得探討的問題,引力波輻射能否用於通訊?引力波會對人體產生危害嗎?是不是需要生產防引力波輻射的孕婦服?什麽叫時空的漣漪?《三體》里面描述的未來世界會不會成為現實?不必要真弄懂廣義相對論的時空理論,大家在引力波被發現的事件里體驗得更多的是基礎科學給人類文明帶來的巨大進步與沖擊。大家都真心希望我國的科學研究邁上一個新臺階,在不久的將來也能有這樣劃時代的激動人心的科研成果與事件。

現在,我們國內基礎研究實力依然相對薄弱,人才相對匱乏,因為做基礎研究需要坐得住冷板凳,需要長時間集中精力思考和解決一些並不能馬上帶來經濟效益的科學難題,乃至需要冒著長時間出不了論文等科研成果而帶來的經濟與生存壓力。特別是引力物理的研究,相較於其它基礎科學領域,需要的知識更加艱深難懂,科學問題的難度更大,從而難以在短時間內取得突破性進展,由此帶來的後果便是人才顯得更為匱乏,相比於一個LIGO科學團隊就有上千人參與的規模,我國每年一度的引力與相對論天體物理學術年會參加的研究人員與學生加在一起,也就三百人左右,而真正活躍在科研前沿的科研人員就更少。

現在引力波被直接探測到了,中國是否有必要繼續建設引力波探測基地並推動與此有關的理論研究呢?答案無疑是肯定的,正如我們前面所看到的電磁波的發現給人類文明帶來巨大推動一樣,雖然短時間內,因引力波信號的極其微弱難以馬上被應用於人類日常生活,但是我們堅信引力波是大自然賜予人類的一個嶄新工具,一雙全新的千里眼,必將極大推動人類文明的進步。試想一百年前誰能想象得到我們可以有手機這樣的移動通訊工具呢?而電磁波的發現,距今才短短的128年!隨著我國國力的不斷增強,與科研上不斷增加的投入,大家相信我國基礎科學的研究一定會取得長足的進步與發展。

引力波探測將人類探索宇宙發現真理的歷程帶入一個嶄新的時代,而LIGO此次對合並雙黑洞引力輻射的成功探測,只是這個新時代的開始。接下來,我們有理由相信對原初引力波的探測將為人類理解宇宙的起源開辟新的途徑。當地面探測引力波工程取得重要成果的時刻,空間引力波規劃也在緊鑼密鼓地展開,我們有理由相信對不同頻段引力波的探測將為人類了解星體演化與黑洞形成打開全新的窗口,我們也有理由相信,引力波的發現將為經典廣義相對論與量子理論的融合提供新的思路與檢驗方案,而最重要的,我們更期望引力波能夠繼電磁波之後成為通訊的新媒介,並最終走進我們的日常生活,為人類所用,為人類造福。

 

LIGO 為什麼 能夠 成功 除了 引力波 引力 還有 其他 忽視 發現
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