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来自宇宙深处的弦音 ——北师大张宏宝博士带你走近引力波 精选

已有 6677 次阅读 2016-3-17 08:47 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述


美国科学家在2016年初宣称他们终于探测到了13亿年前两个黑洞在相互环绕,逐渐融合的过程中发射出来的引力波。霍金受采访时说这是人类历史上一次划时代的事件。那么到底什么是引力波? 它有什么用?张宏宝博士将带你追忆引力往事,闲聊黑洞情史,回望宇宙变迁,聆听时空弦音。


今年初,科学家正式宣布探测到引力波。美国在地面通过激光干涉天文台证实引力波的存在,从而证实了爱因斯坦一百年前提出的一个假设,这是一个非常新的成果。这个新的成果不仅证明了引力波的存在,还成为开启科学家探索宇宙奥秘的一个新途径。以前我们观察宇宙主要是通过光学和电磁学的方法,今后多了一个手段,即用引力波的方法观测,这为我们开启了一个新的窗口。


为了让社内编辑了解到这一最新的科学前沿,我们特别邀请到北师大物理系青年学者张宏宝博士来做报告。在北师大任教前,张宏宝博士游学国外多年,对于引力与广义相对论有深刻理解。值得一提的是,北师大的引力理论研究组很有特色,我社先后出版过刘辽先生的《弯曲时空量子场论与量子宇宙学》和梁灿彬先生《微分几何入门与广义相对论》,有着深厚渊源。


张宏宝博士带我们从伽利略、牛顿那个年代谈起,一直领略到最新的引力波科学前沿。

追忆引力往事


从古希腊开始,人们就开始追寻“什么是力”?经过伽利略、牛顿的努力,人们奠定了经典力学的基础。另一方面,法拉第等科学家研究了电磁场的特性,最终发现电磁场也是客观存在的物质,并由麦克斯韦用电动力学的方式予以美妙描述。



20世纪初,伟大科学家爱因斯坦发展出狭义与广义相对论,使得人们更加深入理解“力”的本质:实际上是空间的弯曲。



闲聊黑洞情史


在广义相对论的基础上,人们开始推测天空中巨大明亮恒星的最终归宿:中子星或者神秘的黑洞。



回望宇宙变迁


20世纪中叶,宇宙诞生的理论——大爆炸理论被提出,后来天文学的发现证实我们所处的宇宙处于不可思议的加速膨胀中,其能量来源被称为神秘的“暗能量”,宇宙中也应该存在巨大数量的、我们目前还探测不到的“暗物质”。



聆听时空弦音


如果大质量天体发生碰撞、超新星爆发等极端宇宙事件会产生强大的引力波,这是爱因斯坦广义相对论中一个重要预言。引力波可以被看做是一种时空涟漪,会像波一样传递开来。这次美国科学家终于探测到引力波,是对广义相对论的直接验证。这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的,被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)引力波探测器探测到。



爱因斯坦在一百年前就预言到了引力波的存在,广义相对论包含了宇宙中如此之多的现象,一个非常简单的方程居然包含如此丰富的信息。这次探测到引力波更验证了这个理论的震撼与伟大。


在人类能够感知的尺度下,引力是一个很弱的相互作用。只有靠天文中大质量的星体的运动,才能产生相对比较强一些的引力波。即便如此,引力波对地面物质产生的影响也是微乎其微的。这次探测到的引力波,振幅为10^-21,也就是说,引力波引起的相对距离只是变化了10^-18米左右,仅为原子核尺度的千分之一。探测到如此微弱的距离变化,是人类在之前根本没法达到的,这代表了人类在精密测量科学的最高水平。


引力波的探测发现并不仅仅是检验爱因斯坦是否正确。探测引力波将有助于我们探测宇宙中情况最为极端的角落——黑洞的视界、超新星的最深处、中子星的内部结构——那些常规望远镜完全无法接近的区域。


张宏宝博士介绍,中国也将在“十三五”期间重点布局引力波研究。中国的引力波探测计划已经启动,比如中科院理论物理所的“太极计划”、中山大学的“天琴计划”、中科院高能物理所的“阿里计划”以及国家天文台的“脉冲星测时引力波探测计划”。


本文为讲座记录,由钱俊整理。本文责编安静。

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人类首次探测到引力波
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