问题

中科院启动「太极二号」双星计划探测空间引力波,如何理解这一计划,具有哪些意义?

回答
想象一下,我们生活在一个宇宙的大舞台上,这个舞台上,每一个天体,无论多么庞大,都在以我们看不见的力量相互影响、牵引,这种无形的力量,就是引力,而爱因斯坦的广义相对论更是告诉我们,这种引力扭曲了时空的织锦,当宇宙中发生剧烈的事件,比如黑洞合并,就像在这张织锦上投下一颗巨石,激起层层涟漪,这些涟漪就是空间引力波,它们以光速传播,携带着宇宙中最原始、最剧烈事件的信息。

中国科学院启动的“太极二号”双星计划,正是要以前所未有的精度去“聆听”这些来自宇宙深处最微弱的“涟漪”。我们可以把“太极二号”想象成一对高度默契的“太空侦探”,它们是被精心设计成一颗紧密绕着另一颗运行的卫星。这两颗卫星之间,以及它们各自与地球上的地面站之间,都将建立起极其精确的激光干涉测量系统。为什么需要两颗卫星呢?这是因为要分辨出引力波信号,需要测量那些极其微小的时空变化,而单靠一颗卫星,很难有效区分引力波引起的形变和卫星自身运动、仪器噪声等干扰。双星系统,特别是它们之间的相对运动,能够提供一种更强的信号提取能力,通过测量两颗卫星相对位置的微小变化,就能更清晰地捕捉到引力波穿越它们时的时空扭曲。

更进一步说,之所以要设计成“双星”模式,是为了构建一个引力波探测阵列。就像地面上的引力波探测器“LIGO”和“Virgo”那样,需要多个探测器协同工作,才能更精确地定位引力波的来源方向,并从中提取出更丰富的信息。而“太极二号”之所以选择在太空运行,是因为地球上的引力波探测器受制于大气、地震等各种环境干扰,探测的灵敏度和可探测的引力波频率范围受到很大限制。太空,尤其是太阳系的拉格朗日点,是一个相对安静的环境,能够大幅降低这些干扰,从而让我们能够探测到比地面探测器更低频率、但同样具有重要科学意义的引力波信号。

那么,“太极二号”的意义究竟在哪里?它不仅仅是又一个科学探测项目,更是我们理解宇宙演化、验证物理学最深层理论的一把钥匙。

首先,从宇宙学的角度来看,“太极二号”将开启一个全新的窗口,让我们能够“看到”那些我们从未见过、甚至从未想象过的宇宙现象。我们知道,宇宙的诞生伴随着一场被称为“暴胀”的剧烈膨胀,这个过程如果产生了引力波,那将是宇宙大爆炸留下的“余音”,蕴含着关于宇宙早期状态、物理定律如何确立的原始信息。而“太极二号”的设计灵敏度,正是为了探测这类低频引力波,它们能够帮助我们直接验证暴胀理论,甚至可能发现新的物理规律。

其次,在天体物理领域,“太极二号”将为我们揭示宇宙中最神秘、最极端的天体活动。比如,超大质量黑洞的合并,它们是星系中心的“巨无霸”,当它们相互吞噬时,会产生极其强大的引力波信号。这些信号包含了黑洞的质量、自旋等重要参数,能够帮助我们理解黑洞的形成和演化机制,以及它们如何影响整个星系的命运。此外,致密星(如中子星)的并合,虽然会产生更高频率的引力波,但“太极二号”的灵敏度也可能捕捉到其中一些特殊类型,为我们研究物质在极端密度下的状态提供线索。

更深远的意义在于,它将是对爱因斯坦广义相对论的一次极致检验。引力波的探测本身就是对广义相对论的直接证实,而“太极二号”计划通过对低频引力波的探测,将能在更宽广的频段内、更精确地检验相对论的预言。如果探测到的引力波行为与广义相对论的预测存在偏差,那将是物理学革命性的时刻,意味着我们需要新的理论来解释宇宙的运行规律。

总而言之,“太极二号”双星计划,是用中国智慧和科技实力,在人类探索宇宙奥秘的征途上,迈出的坚实而大胆的一步。它不仅是为了满足科学家的好奇心,更是为了深化我们对宇宙起源、演化以及最基本物理规律的认识,为人类构建更完整的宇宙图景贡献力量。这就像我们从只能听见远处传来的微弱呐喊,到如今能捕捉到宇宙最深处的低语,意义非凡。

网友意见

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我们正在追上美国!作为一名基础物理学爱好者,多的也不敢说,就讲点大家能听懂的吧。

自从1905年爱因斯坦提出相对论,以及1927年哥本哈根学派确立量子力学理论之后,人类对基本世界的认知进入一个新的阶段。

宏观世界方向,以对相对论的研究和验证为主,微观世界方向,则是以观察和研究基本粒子为主。一个世纪以来,人类科学家都试图从这两个方向实现突破!

突破什么呢?

突破目前发展几乎陷于停滞状态的基础物理理论。

在这其中,寻找引力波,就是最重要的工作之一。

万有引力概念,是牛逼顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中确立的,是经典物理理论架构中,最重要的成果,没有之一。

1916年,阿尔伯特.爱因斯坦发表旷世巨作《广义相对论》,提出“引力波”的概念,并明确指出,引力是时空弯曲的一种效应。

此后一百年,人类世界就一直试图寻找到引力波的存在,或者说,人类想要探测到真正的时空弯曲。

我并非在讲科幻故事,这都是真实历史。

爱因斯坦预言,1919年的日全食中,将可以观测到光线弯曲。为验证广义相对论的正确性,英国天文学家爱丁顿在日全食发生时,远涉重洋到西非普林西比岛实地观测,证实日全食时,确实发生了光线弯曲现象。强大的引力场扭曲了宇宙空间,光,也随之弯曲了。

全世界彻底轰动了,这是人类历史上第一次证实空间的弯曲现象,各种空间折叠、时间旅行的科幻作品,如雨后春笋般冒出,仿佛再过不久,人类就可冲出太阳系,奔向比邻星。

可惜历史给我们开了一个大大的玩笑,直到半个多世纪后,人类才第一次登上月球,至于登陆火星,直到今天还是遥不可及之事。

科学技术的发展,离不开基础物理理论的突破。人类科学家们下定决心,一定要真正探测到引力波。

从1960年开始,第一台引力波探测器在美国马里兰大学投入运行,史称“棒状探测器”,看这个名字,大家就知道不会有什么结果;

之后1971年、1983年、1984年、1999年,各种更先进的引力波探测器分别建造成功,投入运行。

功夫不负有心人,2015年9月,位于美国的“aLIGO”(先进激光干涉引力波天文台)探测器,终于探测到两个黑洞并合时产生的引力波,人类,终于找到引力波了!此时距爱因斯坦发表广义相对论,已经过去整整一百年。

迄今为止,人类一共五次探测到引力波,都是在美国。

基础物理理论学科,从来都是巨星临世、大能辈出。牛顿、爱因斯坦、普朗克、玻尔、钱学森、杨振宁,这些震古烁今的名字,无一不是在理论物理大放异彩之人,正是这些科学巨人的研究,指引着整个人类社会前进的方向。

今天启动的“太极二号”双星计划,对我国的基础物理理论研究极其重要,我们正在全方位追赶美国,最前沿的物理阵地岂能放弃,也不可能放弃。

预祝探测成功!

以上。

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