姓名：張坤? ? 學(xué)號(hào)：1700030080
轉(zhuǎn)載自：http://tech.sina.com.cn/d/2017-10-03/doc-ifymmiwm4611418.shtml，有刪節(jié)
【嵌牛導(dǎo)讀】：瑞典皇家科學(xué)院宣布將2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位引力波探測(cè)計(jì)劃的重要科學(xué)家，三人均來自LIGO/VIRGO合作組，以獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)凇癓IGO探測(cè)器以及引力波探測(cè)方面的決定性貢獻(xiàn)”。獎(jiǎng)金的一半授予萊納·魏斯（Rainer Weiss），另外一半由巴里·巴里什（Barry C。 Barish）和基普·索恩（Kip S。 Thorne）兩人分享。引力波為什么獲諾獎(jiǎng)？本文將進(jìn)行通俗易懂的解釋。
【嵌牛鼻子】：引力波，諾貝爾獎(jiǎng)，LIGO
【嵌牛提問】：什么是引力波？什么是LIGO？這個(gè)發(fā)現(xiàn)到底有多重要？
【嵌牛正文】：
示意圖：兩個(gè)黑洞的合并過程?？茖W(xué)家們認(rèn)為黑洞的合并過程將產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力波信號(hào)
示意圖：一顆被撕裂的中子星。類似的事件將會(huì)產(chǎn)生劇烈的引力波信號(hào)
仙后座A（Cassiopeia A），銀河系中已知最年輕的超新星遺跡，也是天空中除太陽(yáng)外最強(qiáng)的射電源
來自一個(gè)雙黑洞系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波信號(hào)在公元2015年9月14日國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間9：51（北京時(shí)間17：51）由兩座分別設(shè)置在華盛頓州和路易斯安那州的LIGO觀測(cè)臺(tái)探測(cè)到。這也是人類首次直接觀測(cè)到一個(gè)“雙黑洞”系統(tǒng)。LIGO項(xiàng)目發(fā)言人Gaby González表示此次LIGO探測(cè)到的引力波信號(hào)來自兩個(gè)黑洞的合并，這兩個(gè)黑洞質(zhì)量分別為29個(gè)和36個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，合并過程中有相當(dāng)于3倍太陽(yáng)質(zhì)量的能量被以引力波形式釋放出去。
發(fā)布會(huì)上，LIGO項(xiàng)目執(zhí)行主管David Reitze說：“今天，我們開啟了引力波天文學(xué)的嶄新時(shí)代?！?/p>
時(shí)空中的漣漪
當(dāng)愛因斯坦最早提出他的廣義相對(duì)論的時(shí)候，他徹底革新了我們?cè)葘?duì)于時(shí)間與空間的概念理解。我們此前一直認(rèn)為空間是恒定而不變的，物質(zhì)和能量存 在于其中。但 愛因斯坦的理論指出空間實(shí)際上與能量和質(zhì)量之間都是相互聯(lián)系的，并且隨著時(shí)間推移空間也在發(fā)生變化。如果只存在一個(gè)質(zhì)量物體，靜止地存在于時(shí)空之中（或者 處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)），那么它所處的時(shí)空不會(huì)發(fā)生變化。但如果你加入第二個(gè)質(zhì)量物體，那么這兩個(gè)物體之間就會(huì)發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)，互相會(huì)向?qū)Ψ绞┘右粋€(gè)加速度，在 這一過程中也就將造成時(shí)空結(jié)構(gòu)的改變。更加重要的是，由于存在一個(gè)大質(zhì)量粒子在引力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，廣義相對(duì)論指出這一大質(zhì)量物體將會(huì)被加速，并釋放一種特殊的輻射：引力輻射。
這種引力輻射與你所知的其他任何種類的輻射都不同。它會(huì)以光速穿越空間，但它本身又是空間中的漣漪。它從被加速的物體帶走能量，這就意味著，如 果這兩個(gè)質(zhì)量 物體處于相互運(yùn)行的軌道之中，那么隨著時(shí)間推移這個(gè)軌道將會(huì)逐漸收縮，這兩個(gè)質(zhì)量物體之間的距離將逐漸縮短。不過不要太過擔(dān)心，對(duì)于像地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行這 樣一個(gè)系統(tǒng)，相對(duì)而言這兩個(gè)天體的質(zhì)量還太小，而兩者之間的距離又非常巨大，因此在引力波耗散能量的條件下，這個(gè)軌道也將需要經(jīng)過10的150次方年才會(huì)衰減崩潰，如此長(zhǎng)的時(shí)間早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了宇宙的年齡，事實(shí)上這也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了已知所有恒星的壽命！然而對(duì)于相互繞轉(zhuǎn)的黑洞或中子星而言，它們之間存在的軌道衰 減效應(yīng)則已經(jīng)被觀測(cè)到了。
科學(xué)家們認(rèn)為宇宙中可能還存在著我們尚未探測(cè)到的更高能的事件，如黑洞的相互合并。這類事件應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生某種特征信號(hào)，而這樣的信號(hào)是可以被“先進(jìn)LIGO”系統(tǒng)捕捉到的。
先進(jìn)LIGO探測(cè)器
從本質(zhì)上而言，“先進(jìn)LIGO”系統(tǒng)采用的探測(cè)手法是相當(dāng)簡(jiǎn)單而直接的，它利用了引力波輻射的本性和它最重要的性質(zhì)之一。引力波會(huì)造成空間的拉伸或壓縮，其頻率和強(qiáng)度取決于形成這種引力 波的天文事件所具有的一系列特征，如兩個(gè)相互繞轉(zhuǎn)天體各自的質(zhì)量大小、它們兩者之間的間距以及這一系統(tǒng)距離地球的遠(yuǎn)近?！跋冗M(jìn)LIGO”設(shè)施包括兩條互相 垂直的長(zhǎng)臂，長(zhǎng)度均為4公里。將一束激光用分光鏡分成夾角為90度的兩束，然后兩束激光分別被4公 里外的反射鏡反射回來并發(fā)生干涉，并且這樣的反射可以來回進(jìn)行多次，從而大大增加激光運(yùn)行的路徑長(zhǎng)度。由于頻率和波長(zhǎng)完全一致，在正常情況下，這兩束激光 應(yīng)該是完全相同的，但是如果存在引力波作用，則會(huì)對(duì)這兩束激光的波長(zhǎng)頻率產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致兩束激光在疊加的干涉條紋上出現(xiàn)改變。這樣的改變將能夠讓科學(xué) 家們判斷兩個(gè)繞轉(zhuǎn)天體各自的質(zhì)量大小、它們之間的間距以及這玩意系統(tǒng)到地球之間的距離等豐富的信息。
先進(jìn)LIGO包括兩處設(shè)施，分別位于美國(guó)西北部（華盛頓州）以及美國(guó)東南部（路易斯安那州）。如果這兩處設(shè)施均觀測(cè)到同樣的信號(hào)，那么我們幾乎 就能夠肯定我們的確是觀測(cè)到了引力波信號(hào)了。目前版本的LIGO系統(tǒng)對(duì)于質(zhì)量在1倍太陽(yáng)質(zhì)量到數(shù)百倍太陽(yáng)之間之間的兩個(gè)黑洞合并過程可能產(chǎn)生的引力波信號(hào)最為敏感，且其探測(cè)能力可以覆蓋距離地球數(shù)百萬(wàn)光年之外——在這樣一個(gè)巨大的空間范圍內(nèi)，符合條件的黑洞合并事件每年都會(huì)至少發(fā)生幾次。
意義重大的引力波
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將是對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的又一次證明，后者在將近100年前便預(yù)言了引力波的存在。但引力波被首次直接探測(cè)到的意義還遠(yuǎn)不僅于此，它還有著更加重大的意義。作為時(shí)空本身的震動(dòng)，引力波常常會(huì)被人和聲波進(jìn)行對(duì)比。事實(shí)上，引力波望遠(yuǎn)鏡能夠讓科學(xué)家們?cè)诠鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡“看到”某個(gè)現(xiàn)象的同時(shí)“聽到”它的“聲音”。
有趣的是，當(dāng)LIGO項(xiàng)目在上世紀(jì)90年代早期尋求美國(guó)政府的資金支持時(shí)，它在國(guó)會(huì)面對(duì)的最大反對(duì)者竟然是天文學(xué)家們。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)廣義相對(duì)論專家，LIGO項(xiàng)目的早期支持者克里福德·威爾（Clifford Will）指出了出現(xiàn)這種情況的原因：“當(dāng)時(shí)普遍的觀點(diǎn)是認(rèn)為L(zhǎng)IGO這個(gè)項(xiàng)目與天文學(xué)之間似乎關(guān)系不大。”而反觀今天的情況，人們對(duì)此的觀點(diǎn)已經(jīng)完全變化了。
歡迎來到引力波天文學(xué)的世界！
一、黑洞真的存在嗎？
正如外界所傳言的那樣，此次宣布的消息是有關(guān)兩個(gè)黑洞合并過程中產(chǎn)生的引力波信號(hào)。這樣的事件是宇宙中最高能的事件之一——這一過程中產(chǎn)生的引力波信號(hào)強(qiáng)度 甚至可以短暫超過整個(gè)可觀測(cè)宇宙中所有恒星產(chǎn)生的引力波效應(yīng)之和。與此同時(shí)，來自兩個(gè)黑洞合并時(shí)所產(chǎn)生的引力波也是所有引力波類型中信號(hào)最清晰，最便于解譯的類型之一。
當(dāng)兩個(gè)黑洞以螺旋形軌道逐漸相互靠攏時(shí)，合并過程便開始了，在此期間會(huì)釋放出引力波。這種引力波擁有特征性的信號(hào)，科學(xué)家可以利用這些特征信號(hào)解譯出合并的 兩個(gè)黑洞各自的質(zhì)量大小。在那之后，實(shí)際上這兩個(gè)原先獨(dú)立的黑洞就融為一體了。法國(guó)巴黎高等學(xué)術(shù)研究所的引力理論學(xué)家迪爾巴特·達(dá)摩爾（Thibault Damour）指出：“這就有點(diǎn)像是你將兩個(gè)肥皂泡泡靠得很近，以至于它們最終融合一體了。而在合并的初始階段，較大的那個(gè)泡泡會(huì)發(fā)生扭曲變形?！焙诙春喜⒌那闆r非常類似，而一旦合并過程完成之后，形成的單一黑洞將恢復(fù)為完美的球形。
探測(cè)到黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)，其中的一項(xiàng)意義可能會(huì)出乎一部分人的意料，那就是證實(shí)黑洞的存在——至少由愛因斯坦廣義相對(duì)論中所預(yù)言的那種純粹、空曠的扭曲封閉的時(shí)空區(qū)域的確是存在的。這一信號(hào)的另外一層意義是可以讓科學(xué)家們確認(rèn)黑洞的合并過程的確是與先前的理論預(yù)測(cè)相吻合的。天文學(xué)家們手里已經(jīng)掌握了 許多此類現(xiàn)象存在的證據(jù)，但到目前為止它們都來自對(duì)圍繞黑洞周圍存在的恒星以及高溫氣體行為的觀測(cè)，也就是間接證據(jù)，而非來自黑洞本身的直接證據(jù)。
美國(guó)普林斯頓大學(xué)的廣義相對(duì)論專家弗蘭斯·普雷特瑞斯（Frans Pretorius）指出：“整個(gè)科學(xué)界，包括我本人，都已經(jīng)對(duì)黑洞的話題感到厭倦，我們已經(jīng)對(duì)此習(xí)以為常了。然而如果你想要宣布一項(xiàng)激動(dòng)人心的預(yù)言，那么我們就需要看到非常扎實(shí)的證據(jù)?！?/p>
二、引力波是以光速傳播的嗎？
當(dāng)科學(xué)家們將來自LIGO的觀測(cè)結(jié)果與來自其他類型望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比時(shí)，他們檢查的第一個(gè)項(xiàng)目往往就是查看這兩個(gè)信號(hào)是否是在同一時(shí)間抵達(dá)的。物理學(xué)家們認(rèn)為引力是由一種被 稱作“引力子”的粒子負(fù)責(zé)傳遞的，它們就像構(gòu)成光線的光子一樣。而如果這些粒子也像光子那樣不具有質(zhì)量，那么引力波就將能夠以光速傳播，從而與廣義相對(duì)論 中關(guān)于引力波應(yīng)當(dāng)能夠以光速傳播的預(yù)言相吻合。
然而另外一種可能性就是引力子可能具有極小的質(zhì)量，如果情況是那樣，這就意味著引力波的傳播速度可能無法達(dá)到光速。如果的確如此，那么LIGO等設(shè)施將會(huì)發(fā)現(xiàn)來自遙遠(yuǎn)天文事件中產(chǎn)生的引力波信號(hào)抵達(dá)地球的時(shí)間要比工作在γ射線波段等“傳統(tǒng)”望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)到信號(hào)的時(shí)間稍晚一些。如果這一情況出現(xiàn)，那就將構(gòu)成對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)理論的重大挑戰(zhàn)。
三、時(shí)空是由“宇宙弦”組成的嗎？
如果能夠探測(cè)到來自所謂“宇宙弦”的引力波信號(hào)，那么則會(huì)出現(xiàn)更加詭異的情況。所謂“宇宙弦”是一種假想中存在的宇宙時(shí)空彎曲中的缺陷，它可能與弦論有關(guān)，也可能無關(guān)。這種“宇宙弦”無限薄，但長(zhǎng)度卻能拉長(zhǎng)到宇宙尺度。研究人員認(rèn)為，這種宇宙弦如果的確存在，可能會(huì)產(chǎn)生一些扭結(jié)；而如果其中的一根弦斷裂，則 會(huì)產(chǎn)生一陣引力波漣漪，這樣的信號(hào)應(yīng)該是可以被LIGO這樣的設(shè)施監(jiān)測(cè)到的。
四、中子星是完美的球體嗎？
中子星是大質(zhì)量恒星死亡之后留下的殘骸，它們的密度極高，以至于將組成它們自己的原子中的電子壓入了原子核，并與其中的質(zhì)子中和形成了中子?？茖W(xué)家們對(duì)于中 子星環(huán)境下的極端物理了解甚少，而引力波將能夠?yàn)槲覀兲峁┻@方面的全新信息。舉例來說，中子星的超強(qiáng)引力場(chǎng)理論上會(huì)使整個(gè)中子星星體成為完美的球體。但一些研究人員卻認(rèn)為在中子星上可能仍然會(huì)存在“山峰”——盡管高度可能只有幾個(gè)毫米。但盡管如此不起眼，但嚴(yán)格來說，這些小“突起”的存在也的確讓這樣一類 直徑一般僅有10公里左右的高密度天體的完美球體外觀被打破了。通常情況下中子星的自轉(zhuǎn)速度是非?？斓?，因此任何的微小凸起都將造成時(shí)空的扭曲并產(chǎn)生連續(xù)的引力波信號(hào)，這種引力輻射過程會(huì)帶走一部分能量并造成中子星自轉(zhuǎn)速度的逐漸下降。
相互繞轉(zhuǎn)的兩顆中子星也會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的引力波信號(hào)。和黑洞一樣，這兩顆中子星會(huì)最終相互靠近并融合為一體。但這一過程和黑洞合并過程存在本質(zhì)不同，普雷特瑞斯指出：“你面臨大量不同的可能性，這取決于中子星的質(zhì)量以及構(gòu)成中子星的高密度物質(zhì)能夠施加的壓力大小。”舉例而言，兩顆中子星合并后的結(jié)果可能是一個(gè)質(zhì)量更大的中子星，但另外一種可能性是，這兩者合并之后立即在巨大壓力下塌縮，形成一個(gè)黑洞。
五、是什么引燃了恒星爆炸？
當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星耗盡其自身內(nèi)部燃料時(shí)，它將迎來死亡的時(shí)刻，在一次巨大的爆發(fā)之后形成黑洞或中子星。天體物理學(xué)家們認(rèn)為這一過程正是形成II型超新星爆發(fā)的元兇。對(duì)于這類超新星爆發(fā)過程的模擬研究目前還未能明確給出是什么直接“點(diǎn)燃”了此類劇烈爆發(fā)的答案，但對(duì)于來自真實(shí)超新星爆發(fā)過程所產(chǎn)生引力波信號(hào)的傾聽和分析將有望幫助我們最終找出這個(gè)問題的答案。根據(jù)這些引力波信號(hào)的波形特征、強(qiáng)度、頻率以及引力波信號(hào)與電磁波信號(hào)抵達(dá)時(shí)間之間的相互關(guān)系，這些數(shù)據(jù)將幫助科學(xué)家們證實(shí)或排除現(xiàn)有的一些理論模型。
六、宇宙膨脹的速度有多快？
宇宙的膨脹意味著那些本身正在遠(yuǎn)離我們的遙遠(yuǎn)星系，它們的光譜紅移值會(huì)大于真實(shí)數(shù)值，因?yàn)樗鼈兯l(fā)出的光線在抵達(dá)我們的路途中會(huì)由于空間本身的膨脹而被拉伸。宇宙學(xué)家們正是根據(jù)對(duì)遙遠(yuǎn)星系光譜紅移值的觀測(cè)，并將這一數(shù)值與這些星系的真實(shí)距離進(jìn)行對(duì)比，從而反推出宇宙的膨脹速度的。而對(duì)于這些遙遠(yuǎn)星系的真實(shí)距離，則是根據(jù)這些星系內(nèi)部出現(xiàn)的所謂Ia型超新星爆發(fā)亮度進(jìn)行估算的。這種估算方法在天文學(xué)距離測(cè)量上被廣泛使用，但必須承認(rèn)這種方法同時(shí)也存在著很大的不確定性。
而如果全世界各地的多個(gè)引力波探測(cè)設(shè)施都檢測(cè)到來自同一次中子星合并事件的引力波信號(hào)，那么將這些來自不同設(shè)施的觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來，科學(xué)家們將有機(jī)會(huì)計(jì)算出這一信號(hào)的絕對(duì)強(qiáng)度，而這也將反過來讓我們得以可靠地計(jì)算出這一中子星合并事件發(fā)生地與地球之間的距離有多遠(yuǎn)。同樣的，我們還能夠判斷出信號(hào)發(fā)來的方向， 并據(jù)此進(jìn)一步找到這一合并事件究竟發(fā)生在哪一個(gè)具體的星系內(nèi)部。接下來，通過對(duì)這一星系紅移值的觀測(cè)，并將其與引力波信號(hào)得到的真實(shí)距離進(jìn)行對(duì)比，我們將能夠有機(jī)會(huì)在更高的精度上實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙膨脹速率的估算。
