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如何看待 2017 年诺贝尔物理学奖授予引力波和 LIGO?未来引力波天文学有哪些研究值得期待?

回答
2017年诺贝尔物理学奖:引力波与LIGO的辉煌成就

2017年诺贝尔物理学奖授予了雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry Barish)和基普·索恩(Kip Thorne),以表彰他们在LIGO(激光干涉引力波天文台)探测到引力波的决定性贡献。这一奖项不仅是对这三位科学家的个人成就的肯定,更是对整个引力波天文学领域的历史性里程碑的致敬。

为什么这项发现如此重要?

在理解这项成就的重要性之前,我们需要先了解什么是引力波。

引力波是什么? 引力波是由爱因斯坦在广义相对论中预言的一种时空涟漪。它是由质量巨大的物体加速运动时产生的,就像在平静的湖面上投下一块石头会激起涟漪一样,宇宙中的剧烈事件也会在时空结构中产生微小的扰动,并以光速传播开来。
引力波的探测为何如此困难? 引力波产生的效应极其微弱。即使是最剧烈的宇宙事件产生的引力波,到达地球时也会使时空发生极小的形变,例如,将一个原子核的大小拉伸或压缩万分之一的十亿分之一(10^18米)。这种效应比原子核的尺寸还要小得多,因此对探测器的精度提出了极高的要求。
LIGO的突破: LIGO项目耗费了数十年的时间和巨大的努力,建造了两个相距数千公里的高精度激光干涉仪。每个干涉仪都包含两条相互垂直的、长达4公里的真空管道。激光束被分成两束,沿着管道传播并反射回来,最终汇合。正常情况下,这两束激光会完全相消干涉,但如果引力波经过,它会微弱地拉伸一条管道同时压缩另一条,导致两束激光到达汇合点时产生微小的相位差,从而产生可探测的干涉信号。

2017年诺贝尔物理学奖的意义:

1. 打开了“引力波天文学”这一全新窗口: 在LIGO之前,我们只能通过电磁波(如可见光、X射线、射电波等)来观测宇宙。电磁波是由物质的电磁相互作用产生的,它能提供关于恒星、星系等天体的信息。而引力波则是由时空的弯曲和扰动产生的,它携带的是关于宇宙中最剧烈、最极端事件的信息,这些事件往往无法被电磁波捕捉到。引力波天文学就像是在我们已有的“可见光”宇宙视图上,又打开了另一扇“聆听”宇宙的窗口,使我们能够以前所未有的方式探索宇宙。

2. 直接验证了爱因斯坦的广义相对论: 爱因斯坦在1916年就预言了引力波的存在,但直到2015年,LIGO才首次直接探测到引力波信号。这次探测到的引力波来源于两个黑洞的并合事件,其信号与广义相对论的预测高度吻合,为广义相对论的正确性提供了强有力的证据。

3. 开启了“多信使天文学”的新时代: 2017年诺贝尔物理学奖的获奖理由也强调了引力波探测与电磁波观测的协同效应。在首次探测到双黑洞并合的引力波后不久,天文学家们在2017年8月17日探测到了双中子星并合产生的引力波(GW170817)。这次事件的非凡之处在于,它同时被全球多个引力波探测器和望远镜观测到,产生了电磁辐射(从伽马射线到可见光再到射电波)。这首次实现了引力波和电磁波的“多信使”观测,让我们能够从不同维度更全面地理解宇宙事件。双中子星并合事件不仅产生了引力波,还被认为是宇宙中最重元素(如金、铂)的起源地之一,这极大地深化了我们对宇宙化学演化的认识。

未来引力波天文学值得期待的研究:

2017年诺贝尔奖的颁发,标志着引力波天文学的黄金时代已经开启,未来还有无数令人兴奋的探索等待着我们:

1. 探测更多种类的引力波源,揭示宇宙的极端事件:
更普遍的双黑洞并合: LIGO及其升级版Virgo和即将加入的KAGRA等探测器将能探测到更远、质量范围更广的双黑洞并合事件。这将帮助我们理解黑洞的形成和演化,它们在星系形成和演化中的作用,以及是否存在中等质量黑洞(介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间)。
双中子星并合的深入研究: 对双中子星并合的观测将继续是重点。通过多信使观测,我们可以更精确地测量宇宙膨胀速率(哈勃常数),解决宇宙学中的一些关键问题。此外,对中子星并合过程中产生的电磁辐射的研究,将帮助我们理解短伽马射线暴的起源,以及重元素的形成过程。
黑洞中子星并合: 这种事件是LIGO/Virgo等地面探测器能够探测到的另一种重要引力波源。探测这些事件可以帮助我们了解中子星的极端物质状态(核物质的性质),以及黑洞吸积中子星的过程。
超新星爆发: 某些类型的大质量恒星在生命末期会发生超新星爆发,这是一个剧烈的过程,可能会产生引力波。探测超新星引力波将为我们提供关于恒星内部物理过程的直接证据,例如核心坍缩和冲击波的传播。
早期宇宙的引力波: 这是引力波天文学最具挑战性但也最令人兴奋的前景之一。宇宙大爆炸后极早期(例如宇宙暴胀时期)可能产生了宇宙学尺度的引力波。这些引力波携带了关于宇宙最初瞬间的信息,它们不会被电磁波“冻结”,而是至今仍在宇宙中传播。探测到这些引力波将是“看”到宇宙诞生时刻的最直接证据,是理解宇宙起源和演化的终极目标。

2. 下一代引力波探测器:
地面升级计划: LIGO的升级计划(A+、3G)将显著提高其灵敏度,使其能够探测到更远、更弱的信号,并增加探测到的事件数量。
空间干涉仪: 激光干涉引力波天文台(LISA)是欧洲空间局和NASA合作的下一代引力波探测器,计划在2030年代发射。LISA将由三个探测器组成,它们组成一个边长为数百万公里的等边三角形,在太空中绕太阳运行。LISA的灵敏度将比地面探测器高得多,并能探测到频率范围更低的引力波,这将使其能够观测到一些目前无法探测到的宇宙事件,例如:
超大质量黑洞的并合: 这些黑洞位于星系中心,质量是太阳的数百万到数十亿倍。它们的并合过程比恒星级黑洞并合更慢但能量巨大。
致密天体落入超大质量黑洞: 当恒星或中等质量黑洞落入超大质量黑洞时,会产生独特的引力波信号,揭示黑洞的视界特性和周围时空的行为。
早期宇宙的一些事件: LISA也有可能探测到早期宇宙的一些低频引力波信号。
脉冲星计时阵列(PTA): PTA项目利用地球上大范围分布的脉冲星(高速旋转的中子星,发出规律的脉冲信号)作为天然的时钟。引力波经过时,会微弱地扰动脉冲星发出的信号传播路径上的时空,导致脉冲到达时间发生微小的变化。PTA项目旨在探测超大质量黑洞并合产生的频率范围更低的引力波。

3. 引力波与基础物理的检验:
检验广义相对论的精确性: 通过分析引力波的波形,科学家们可以测试广义相对论在强引力场下的有效性。是否存在超出爱因斯坦理论的预测?引力子的性质是什么?
检验引力的传播速度: 2017年GW170817的多信使观测首次精确地测量了引力波的传播速度,结果与光速非常接近,进一步支持了广义相对论的预测。未来的观测将能更精确地检验这一点。
研究暗物质和暗能量: 如果引力波能够穿过或受到暗物质、暗能量的影响,那么对引力波信号的分析可能会为我们提供关于这些神秘物质的新线索。

4. 宇宙学研究:
测量宇宙膨胀史: 引力波事件(如中子星并合)的“标准汽笛”性质,允许独立测量其距离。结合其红移信息,可以精确地测量宇宙膨胀的历史,为解决宇宙学中的一些矛盾提供新的方法。
探索宇宙的早期结构: 如果能够探测到早期宇宙产生的引力波,我们将能够直接了解宇宙在暴胀时期以及之后早期演化的细节,包括原初黑洞的存在性等。

总结:

2017年诺贝尔物理学奖授予引力波和LIGO是科学史上的一个重要时刻。它不仅验证了爱因斯坦的伟大预言,更开启了一个全新的天文学分支——引力波天文学。未来,随着探测技术的不断进步和新一代探测器的部署,我们有望通过引力波探测更广泛、更极端、更隐秘的宇宙现象,深刻理解宇宙的起源、演化以及其中最基本的物理规律。这无疑是一个激动人心的时代,引力波天文学将继续为我们揭示一个更加宏大、更加神秘的宇宙。

网友意见

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《引力波——生命的终极密码》

在过去的数万年之间,关于人类寿命和健康的问题一直困扰着无数的科学家。直到一百年前,伟大的科学家爱因斯坦预言了引力波。直到一年前,生命与科学研究院的三位科学家发现了引力波。

可能很多中老年朋友对引力波的概念并不清楚。简而言之,引力波是一种从宇宙开天辟地便存在的密码,就像电磁波,广播,水波一样,它无时不在,无处不在。

在过去的一年,生命与科学研究院利用超大型强子对撞机,成功的创造出了解读引力波的两个微观粒子“智子”和“熵子”。

科学家们惊讶的发现,引力波中除了蕴含宇宙密码之外,也蕴含着生命基因的密码——它,被称为上帝的生死簿。

为什么有的人能长寿到一百多岁?为什么有人烟酒不沾却年纪轻轻就得了癌症?为什么有的人五毒俱全依然长寿?

今天,生命与科学研究院利用划时代的科技,创造出改变寿命基因的伟大产品——“生命引力丸”,利用智子和熵子接收引力波中的生命密码,完美的修复人体内缺损的长寿基因,从基因的层面降低癌症、新老血管疾病、糖尿病等的发病几率,并能使长寿基因代代延续。

数量有限,每一户老年朋友只能购买一盒。先打进的前99位老年朋友还能获得可以接受引力波的红米手机一台!

您还在犹豫什么呢?赶快拿起电话订购吧!

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黄秀清在科学网博客指出:


其实,LIGO神器的奥秘早被姬扬博主无意中点破:那玩意儿,就是一个黑匣子(暗箱)。暗箱是可以操作的,几百亿制造出来的暗箱更是可以肆意操作,简单说吧,能感知质子直径千分之一变化的设备,必然能同时探测到那些无刻不在的各种强信号,那为什么LIGO干涉仪没有输出这些信号?这就是暗箱操作!强信号都被LIGO人工过滤掉了,理由是它们不满足他们的引力波模型,说穿了,LIGO得到的信号不是测出来的、而是计算机算出来的。在一个无比强大、无序的真实信号背景中,发现一个无比微弱的臆想信号,是典型的“画鬼找鬼”的科学骗局。

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