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          黃慶國:引力波:從激光干涉引力波天文臺到宇宙微波背景輻射
          2016-09-27  【 】【打印】【關閉

            1916因斯坦:要有引力波。 

              

            2016211advanced LIGO(提升的激光干涉天文臺):真的有引力波。 

              

            座落在相距三千多公里的美國路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德的兩個激光干涉天文臺于2015914日同時聆聽到13億光年外兩個約30個太陽質量的黑洞并合發出的“蛐蛐叫”的聲音,從而證實一百年前愛因斯坦預言的引力波真的存在。這是本世紀基礎科學又一個重大發現。當然一個重大的發現需要經過嚴格的檢驗。期待未來有更多的引力波被探測到,否則此次發現將會被置于質疑之中。 

              

            引力是萬有的。它普遍存在于宇宙中任何兩個質點之間。加速一個帶電粒子可以產生電磁波,而加速任何一個物體都可以產生引力波。一個最簡單的產生引力波系統是兩個天體相互環繞直至并合。然而大多數這樣的系統所產生的引力波都小到無法察覺。黑洞是宇宙中擁有巨大質量的最致密的天體之一。引力波天文臺的創建者之一的基普?索恩曾打賭說雙黑洞并合產生的引力波會最先被觀測到。結果證明他贏了! 

             

              

            (圖片來源https://www.ligo.caltech.edu/ 

              

            電磁力作用于帶電的物體。自然界存在兩種基本電荷,既正電荷和負電荷。本著同性相吸、異性相斥的原理,電磁力可以是吸引力也可以是排斥力。因此系統中帶點粒子可以通過移動來抵消和屏蔽電磁波。然而由于引力是萬有的,它無法被屏蔽和阻隔。因此引力波可以在宇宙空間中自由的傳播。 

              

            黑洞在很小的范圍內聚集了極大的質量從而產生很強的引力,以至于光都無法擺脫黑洞的吸引逃逸出來。因此利用光信號無法直接探測黑洞。以前人們只能從黑洞對周圍物質的吸引推測黑洞存在。提升的激光干涉天文臺卻可以通過引力波直接“目擊”了兩個黑洞的并合。隨著未來更多的觀測到引力波信號,人們可以更深入的了解那些隱藏于黑洞不為人知的秘密。 

              

            引力波的傳播速度確實是光速嗎?宇宙中是否存在宇宙弦?中子星表面是光滑的嗎?是什么原因造成恒星爆發?……這些問題都有可能借助于引力波來回答。 

              

            此外,更引人注目的是:引力波還可能告訴我們宇宙是如何起源的。宇宙現在的年齡大約是138億年。在宇宙年滿38萬年前,宇宙中充斥著各種帶電的粒子。這些帶電的粒子和光強烈發生強烈的相互作用,使得光都無法在宇宙間自由的傳播。因此光完全無法穿透層層帶電的迷霧去刺探早期宇宙的奧秘。引力波成為探索早期宇宙奧秘的不二法寶。 

              

            除了產生于被加速的物體外,更為神奇的是引力波還可以產生于早期宇宙真空的量子漲落!通常這些真空量子漲落最終湮滅于真空之中。然而宇宙不是靜止的,而是在不斷膨脹的。宇宙早期發生了一次爆炸式的膨脹。這個過程被稱為暴脹。這些引力波的量子漲落在暴脹過程中被拉伸到宇宙視界之外,從而擺脫了湮滅于真空的命運而一直保留至今。這些殘留的引力波即為原初引力波。人們發現那些宇宙尺度波長的引力波在宇宙微波背景輻射中留下了特殊的指紋。發現這些細微的指紋必將再一次震撼整個科學界! 

             

            (圖片來源http://bicepkeck.org/B2_2014_i_figs/eb_maps.png 

              

            20143BICEP2(宇宙河外偏振背景成像)曾經宣布他們在微波背景輻射中找到了這樣的指紋。遺憾的是,包括我和我所領導的小組在內的一些研究小組發現BICEP2所發現的這些指紋其實源于塵埃物質的污染,而不是原初引力波。但是這個挫折并不能消磨人們追求真理的意志。目前國際上還有不少觀測站以其堅韌的毅力在夜空中繼續搜尋著這些原初引力波留下的指紋。最近中科院正在西藏阿里展開類似的探索。 

              

            我很慶幸于生活在這個時代,可以伴隨引力波天文學和引力波宇宙學等新學科的興起與發展,并參與其中。引力波將為我們揭開宇宙更多的奧秘。 

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