xiaoqu0000的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/xiaoqu0000

博文

聊聊引力波和中国引力波探测 精选

已有 6884 次阅读 2016-2-16 18:42 |系统分类:科普集锦|关键词:引力波,中国引力波探测| 引力波, 中国引力波探测

   美国激光干涉引力波天文台LIGO团队发现引力波,堪称是21世纪头十几年物理学最重大的发现。它的出现,甚至比2012年欧洲核子中心CERN发现希格斯玻色子更加激动人心。在物理学各大领域都被量子理论占据的今天,它成了经典物理最后的荣耀与丰碑。

引力波探测:几十年上下求索

   自从广义相对论预言引力波之后不就,人们便开始追寻引力波。到今天,已经度过了几十个春秋。发现引力波有什么意义呢?大致有以下三方面。

   首先,引力波探测证实了爱因斯坦以及合作者的预言,再一次验证了广义相对论。

   其次,就像电磁波和放射性现象一样,引力波是人类了解这个宇宙的新窗口。引力波的发现标志着人类进入了一个新的时代,开创了人类了解世界的新方式。(1887年赫兹发现电磁波时,谁能想象130年后,电磁波已经走进每个家庭。1896年贝克勒尔发现放射性的时候,谁能想到现在每一家医院都能留下核物理的足迹)

   再次,引力波可以提供宇宙发展了演化的信息,有助于我们进一步了解宇宙(诸位还记得2014年BICEP2望远镜宣称发现了原初引力波吗?后来确定是来源于星际尘埃的干扰。原初引力波可以反映宇宙早期的性质)。

   20世纪60年代,美国马里兰大学物理学家韦伯曾利用长2米质量为1顿的铝筒进行引力波探测,1968年甚至宣称发现了引力波,但同行们却无法重复他的结论。


   后来人们利用迈克尔逊-莫雷干涉原理来探测引力波。迈克尔逊-莫雷干涉仪是利用两束激光进行干涉的装置,当两束光的路程不一致时,便会产生干涉现象。通过观察干涉条纹,便可进行精确测距。历史上,迈克尔逊和莫雷曾经利用这样的仪器发现了真空中的光速不变。


迈克尔逊-莫雷干涉仪

   这次LIGO使用的堪称豪华版迈克尔逊-莫雷干涉仪,只不过干涉臂换成了4km长的“跑道”。引力波是时空的涟漪。当有引力波传来时,弯曲的时空会使得4km长的跑道发生“形变”(拉长或压缩)。利用激光束的干涉,可以精确地测量4km“跑道”上由引力波引起的长度变化。因为引力波所产生的“形变”效果太微弱了,在10的负20次方量级,探测它们实在是难上加难。


LIGO引力波探测

   100多年前,迈克尔逊—莫雷干涉仪的出现验证了光速不变;100多年后,LIGO团队用豪华版迈克尔逊-莫雷干涉仪观测到了广义相对论中的引力波。迈克尔逊-莫雷干涉仪为爱因斯坦厥功甚伟,爱因斯坦看到了今天这一幕,必会在阴间大摆筵席,与迈克尔逊和莫雷一醉方休。可见,每一个成功的理论物理学家背后,都有一批成功的实验物理学家。

   LIGO之后,还有欧洲的LISA(激光干涉空间天线),它是一个规划中的引力波探测项目,利用三颗卫星在天空中排成提个三角形,卫星上高精度的激光器彼此发射激光来进行干涉。90年代欧洲人捉摸着,六十年代韦伯用铝筒和铝棒没有能发现引力波,是因为精度不都;LIGO用4km长的“干涉臂”,还没有找到引力波,那必然是距离还不够大。所以,我们用相隔成千上万公里的卫星,作为干涉臂,这下距离总够了吧。


图为LISA引力波探测计划

中国引力波探测,是机会还是大坑?

   自从二战以后,各发达国家竞相提出引力波探测计划,而这方面,中国长期以来都是空白,这是一个巨大的遗憾。

   2013年暑假,我大学毕业时曾参加过重庆大学举办的理论物理讲习班,重大老师谈到了他们打算进行的引力波探测,我当时就感慨:我们国家终于要发展引力波探测技术了。两年多了,也不知道他们现在怎么样了。

   最近网上又传出的中国引力波探测的天琴计划,它跟LISA计划类似,也是发射几颗卫星到太空中,利用激光干涉探测引力波。

   很多网友不看好中国引力波探测,认为引力波已经被LIGO团队发现了,中国再去搞什么天琴计划,纯属多此一举,既得不了诺贝尔奖,又没有什么实际用途,只能为他人作嫁衣裳。

   这里边牵扯两个问题。其一,LIGO发现引力波是否意味着引力波领域的主要工作已经做完,只剩下残羹冷炙,再无研究价值,更无获得诺贝尔而奖的希望?其二,引力波探测技术是否是空中楼阁,毫无应用价值?

   引力波按频率可以分为高频、中频和低频三种,这次LIGO发现的是中频部分的引力波。三种引力波的来源、性质、探测手段并不完全相同。这些性质上的差别决定了高频、中频和低频引力波的应用方向定会有很大差别(如果将来有一天引力波技术能走向应用)。2014年,BICEP2望远镜宣称发现的是宇宙大爆炸早期的原初引力波,而这次LIGO发现的是两黑洞融合产生的引力波,两者又不相同。可见,引力波不是单一的。并不表明LIGO发现了引力波,这个领域就尘埃落定了,就再也没有其他人的事情了。君不见,电磁波产生了多少个诺贝尔奖,放射性产生了多少个诺贝尔奖,加速器和中微子产生了多少个诺贝尔奖,超导又产生了多少个诺贝尔奖。引力波是个巨大的宝库,催生出多少诺贝尔奖,还未可知。

   退一步说,即便LIGO之后,真的没有可能得引力波的诺贝尔奖了,中国探测引力波是否毫无意义,我看也未必。在这里我们先不谈引力波本身的应用价值(因为引力波本身距离实际应用还会有很长一段距离),只说说空间引力波探测技术在其它领域的应用价值。像天琴计划这样的太空探测,需要对几颗卫星间的距离进行精确测量,也需要对激光束进行严格校准,还需要排除太空中各种背景的影响。它不仅会满足引力波这样的纯科学探索,对于空间测距以及激光技术也是巨大的促进。

从引力波探测看大科学装置实验

   一般来说,在科学研究中,别人做过的点子,你再做就没什么意思了。但大科学装置存在例外情况,因为大学科装置需要经验,需要积累,需要传承。一方面是科学上的,一方面是配套的工程技术上的。没有小工程,没有前期的工程基础,很难在短时间内建起像样的大工程。因此,没有前期基础,仅凭某天的一个点子,一个机遇,就指望让一个大装置拔地而起,是不现实的。即便建起来,估计事故也不会少。因此,对于这类涉及大科学装置的实验,能独树一帜固然很好,但也不是所有仿照别人的项目都没有价值。
   任何大科学装置从投资到建设,从维护到升级,从运行到分析,从采集第一个数据到发表最后的结果,都经过了几年甚至几十年的峥嵘岁月。人们往往只能看到它们的成功,却看不到它们背后的艰辛。

   就比如LIGO团队,在他们从1991年启动,经过了升级和再升级之后,才有了今天的发现。里边复杂的探测技术,各种精密仪器,不是一朝一夕就能完成的。而且大多数时间里,LIGO都一无所获,扮演着失败者的角色。以至于像我这样的外缘人士,前几年已不对LIGO抱有什么希望了,一心期望着LISA早日出来救市

   从九十年代至今的二十余年里,LIGO团队的花费不下十亿美金。在LIGO团队未成功的那些年代里,想必也曾饱受争议,想必也曾受到这样的讽刺:他们花了纳税人这么多钱,什么也没探测到,真是一群废物! 
   在2016年之前,对于引力波花落谁家,是美国的LIGO捷足先登,还是欧洲的LISA夺得桂冠,谁也无从知道。
   科学的发现颇有些戏剧性,一人得道,鸡犬升天。如今,LIGO抢了头功,成为闻名天下的明星,尽可指点江山,激昂文字。而LISA出师未捷,便先闻噩耗,此刻LISA团队的研究者的心情可以用本山大叔小品中的台词来形容——我的心是哇凉哇凉的呀!
   但决并非意味着LISA失去了存在的意义。如果说LIGO代表了中频引力波探测的尖端,LISA则代表了低频引力波探测的尖端,而且,LISA也有着一些LIGO没有的技术。它们一个地面,一个太空一个中频,一个低频,遥相呼应,熠熠生辉。
未来,在浩淼的天空中,相信LISA终会有一席之地。假如LISA和其它引力波探测项目因此自暴自弃,不再前进,引力波领域就会被美国做大做强。我想,同样的道理也适合于中国。中国的太空引力波探测,本来就比LISA起步晚,再畏缩不前,拿什么去和未来的LISA争呢?
   在我熟悉的高能物理领域,也有类似的例子。

   二战以后,世界粒子物理中心在美国。而日本起步较晚,很长时间只能跟在美国大哥身后摸索。20世纪80年代,日本敏锐地抓住了中微子物理的机会(其实他们原本是想看质子衰变的,后来发现这玩意能探测中微子),花费巨资发展神岗实验室,并进行了几次升级,变成了超级神冈和超级超级神岗。如今,经过几十年卧薪尝胆,日本人以神岗的带领下,在好几项中微子探测技术上,已经彻底打垮了美国,夺取了中微子探测的制高点(并收获了两个诺贝尔奖)。从神岗到超级神冈再到超超级神岗,从向美国学习到超越美国,神岗人走过了一条光荣崎岖的路,他们的自强不息令人惊叹。如果那个时候,日本也有类似的想法,因为美国领先就不去发展,他们就会永远失去跟美国叫板并且赶超美国的机会。


 图为日本神岗中微子探测器 

注:本人不是研究引力波的,如有错误请多多包涵




人类首次探测到引力波
http://blog.sciencenet.cn/blog-1001977-956558.html

上一篇:夜间奇遇——有感于生活的残酷

18 刘洋 谢力 林中祥 王涛 田云川 雷作胜 陆玲 林中鹿 姬扬 杨书华 周健 李颖业 冷永刚 文克玲 decipherer xlianggg ymytm YujieZheng

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (30 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-6-27 14:13

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部