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华人科学家:爱因斯坦都不敢想象,我们探测到引力波(1)

2016-02-12 10:07:45  知社学术圈    参与评论()人

原标题:陈雁北: 爱因斯坦都不敢想象, 我们真的探测到引力波!

100年前,当爱因斯坦预测引力波的存在的时候,他不曾想过,有朝一日,人类能够真正观测到应力波:这个效应是如此的微弱,无法察觉。

今天,2016年2月11日,北京时间23:30分,加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会,向全世界宣布: 我们真的探测到引力波!

相关论文,以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger为题,在Physical Review Letters上发表。论文作者包括清华大学LSC引力波研究团队。

知社学术圈特邀请论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院陈雁北教授,和中国引力波专家、湖北第二师范学院范锡龙博士,撰文介绍引力波探测漫长曲折而又激动人心的经历,和一些鲜为人知的花絮, 从300年前的引力,100年前相对论,一直讲到今天的引力波。

爱因斯坦都不敢想象,我们真的探测到引力波!

广义相对论中的时空几何,就是会让本来速度彼此平行的自由下落物体彼此接近或者远离。像牛顿引力中的苹果落地一样,广义相对论中的弯曲几何也可以用苹果解释。在苹果的表面,如果画一些起初平行的曲线,并且以同样的初速度从这些平行曲线出发。那么根据这些平行曲线的位置和走向不同,它们有的会彼此靠近(正曲率),有的会彼此远离(负曲率)。

爱因斯坦联系时空几何和物质分布的方程,可以写成一个非常简洁的张量形式:

在70年代,科学家又从数学上推断出黑洞的一些其他性质。一方面,数学家证明了一系列的“黑洞唯一性”定理,显示具有“视界”并且没有物质的时空只能是有限的几个黑洞的时空结构。另一方面,《黑洞微绕论》的创立让物理学家从直观上论证了在星体塌缩成黑洞的过程中,黑洞的几何结构产生的过程。当霍金等物理学家把量子力学用在黑洞上时,惊奇地发现,黑洞也会通过所谓的”霍金辐射”蒸发。

天文学中的黑洞

黑洞在数学上奇妙的性质,引起了人们的无限遐想,也成为科幻作品的重要题材。可是,它是不是真实的物理存在呢?科学上要证明一个物体的存在,至少要观测到它对别的物体的效应。

闭门造黑洞是不行的,要抬头看天!

天文观测中,科学家发现了一些疑似黑洞的物体。由于对爱因斯坦理论的信任和青睐,天文学家们一致认为这些物体就是黑洞。

第一类物体的质量是太阳的几倍到几十倍,它们存在于X-射线双星里,并且尺寸小于几十公里。按照广义相对论的计算,这样的物体必须是黑洞。这些物体发出的X-射线是由黑洞的伴星放出的气体在往黑洞下落的时候相互挤压、摩擦、加热发出的。

第二类物体是存在于星系中心的超大质量黑洞,具有可以超过几十、几百万倍的太阳质量,并且也有很小的尺寸,让大家推测这些也必然是黑洞。比如,在银河系的中心,就有一个四百万太阳质量的黑洞。在另外一些星系中,有气体不断掉入黑洞,在黑洞附近形成一个绕着黑洞旋转的“吸积盘”,并且在黑洞的旋转轴附近发出“喷流”。这样的一个系统叫做活动星系核,它会发射的强烈电磁辐射,是天文观测的一个重要目标。

还有一类物体是中等质量的黑洞。它们可能产生于小质量黑洞并合,或者小黑洞吃掉很多恒星,或者是通过宇宙早期的大质量恒星塌缩而形成。在某些低光度的活动星系核,超亮X-射线源和球状星团中有一些它们的踪迹。

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