写于 2017-03-05 10:52:00| 万博官网manbet电脑版| 技术

注:2017年10月3日,瑞典皇家科学院宣布诺贝尔物理学奖授予Rainer Weiss,Kip Thorne和Barry Barish,他们是引力波研究的三位先驱,仅仅十多亿年前,来自这里的数百万个星系,一对黑洞相互撞击它们在一种交配的舞蹈中相互盘旋,与每个轨道齐聚一堂,越来越近,越来越近它们相隔几百英里的时候,它们以近乎光速的速度鞭打,释放出巨大的重力震动空间和时间变得扭曲,就像滚动的水沸腾在黑洞最终融合所花费的一秒钟内,它们辐射了一百次比宇宙中所有恒星组合的能量更多它们形成了一个新的黑洞,是我们太阳的重量的六十二倍,几乎与缅因州一样宽,因为它平滑了自己,呈现出一个沉重的形状平坦的球体,最后的几个能量逃逸然后空间和时间再次变得沉默波浪向各个方向向外波动,随着它们在地球上消失,恐龙出现,进化并灭绝波浪一直持续大约五万年前他们进入了我们自己的银河系,正如智人开始取代我们的尼安德特人的表兄弟一样,这是一百年前行星的猿类优势种,阿尔伯特爱因斯坦是该物种中较为先进的成员之一,他预测海浪存在鼓舞人心的几十年的猜测和无用的搜索二十二年前,建造开始于一个巨大的探测器,激光干涉仪引力波天文台(LIGO)然后,在2015年9月14日,在中午11点之前,中欧时间波浪到达地球Marco Drago,一位32岁的意大利博士后学生,也是LIGO科学合作的成员,是第一个注意到他们的人e坐在他位于德国汉诺威的阿尔伯特爱因斯坦研究所的电脑前,远程观看LIGO数据

波浪在他的屏幕上以压缩的波浪线出现,但宇宙中最精致的耳朵,适应不到的振动

万亿分之一英寸的人会听到天文学家称之为唧唧喳喳 - 从低到高的微弱声音今天早上,在华盛顿举行的新闻发布会上,LIGO团队宣布该信号构成了引力波的第一次直接观测

德拉戈看到了这个信号,他惊呆了“很难理解该做什么,”他告诉我,他告诉一位同事,他有心愿打电话给LIGO操作室,路易斯安那州利文斯顿的一句话开始在参与该项目的大约一千名科学家在加利福尼亚州,LIGO实验室的执行主任David Reitze看到他的女儿上学并前往他在加州理工学院的办公室,在那里他受到了欢迎一连串的消息“我不记得我说的到底是什么,”他告诉我“这就是这样:'天哪,这是什么

'”西北大学物理学和天文学教授Vicky Kalogera在会议全天都没有,直到晚餐时才听到消息“我的丈夫让我摆好桌子,”她说“我完全无视他,浏览所有这些奇怪的电子邮件并思考,发生了什么事

” 1972年首次建议建造LIGO的83岁物理学家Rainer Weiss正在缅因州度假他登录,看到信号,大声喊“我的上帝!”,他的妻子和成年儿子来了运行合作者开始了对他们的数据进行双重,三重和四重检查的艰难过程“我们说我们做的测量大约是质子直径的千分之一,它告诉我们两个合并的黑洞超过十亿年前,“Reitze说”这是一个非常非凡的东西ry声称并且它需要非同寻常的证据“与此同时,LIGO的科学家们宣誓绝对保密

随着有关这一发现的传言,从9月下旬到本周,媒体兴奋飙升;有关于诺贝尔奖的隆隆声但是合作者给了任何提出这个问题的缩写版本的人 - 他们仍然在分析数据并且没有任何消息要宣布卡洛格拉甚至没有告诉她的丈夫 LIGO由两个设施组成,相距近一千九百英里 - 乘坐一架客机大约需要三个半小时的飞行时间,但引力波的飞行时间不到千分之一秒

利文斯顿的探测器,路易斯安那州位于巴吞鲁日以东的沼泽地,周围环绕着商业松林;在华盛顿州汉福德的一个位于美国受污染最严重的核电站的西南边缘,在沙漠山艾树,风滚草和退役反应堆中,在两个地方,一对12英尺高的混凝土管道以直角延伸到距离,从高处的设施类似于木匠的方格管道是如此长 - 将近2.5英里 - 它们必须从地面抬起两端,以保持它们平躺地球曲线在它们之下,LIGO是探索爱因斯坦广义相对论中一个更难以捉摸的含义的更大努力的一部分

该理论简单地说,在质量存在的情况下,空间和时间曲线表明,这种曲率产生的效应称为重力当两个黑洞相互绕行时,它们像蹦床上的圆圈一样伸展和挤压时空,产生振动,直到最边缘;这些振动是引力波它们一直穿过我们,来自宇宙的来源,但是因为引力比自然电磁学的其他基本力量,或者将原子结合在一起的相互作用弱得多 - 我们永远不会感觉他们爱因斯坦认为它们不太可能被发现它两次宣称它们不存在,扭转然后重新扭转他自己的预测一个持怀疑态度的当代人注意到波浪似乎“以思想的速度传播”近五十年过去了有人试图建立一种探测引力波的仪器第一个尝试的人是马里兰大学帕克分校的工程学教授,名叫乔·韦伯他称他的设备是谐振条天线韦伯认为铝制气缸可以工作像一个钟,放大引力波的微弱打击当一个波击中圆柱体时,它会振动很小y,围绕其圆周的传感器将振铃转换为电信号为了确保他没有检测到过往卡车或轻微地震的振动,韦伯发展了几个保护措施:他在真空中悬挂他的酒吧,他跑了两个他们一次在不同的地方 - 一个在马里兰大学的校园里,另一个在芝加哥附近的阿贡国家实验室

如果两个酒吧在相同的范围内以相同的方式响起,他总结说,原因可能是引力波1969年6月,韦伯宣布他的酒吧注册了物理学家和媒体激动的东西; “泰晤士报”报道说“人类观察宇宙的新篇章已经开启”很快,韦伯开始每天报告信号但怀疑传播,因为其他实验室建造的酒吧无法与他的结果相匹配到1974年,许多人得出结论,韦伯错了(他继续要求新的检测,直到他去世,2000年)韦伯的遗产塑造了他建立的领域它创造了一种有毒的感知,引力波猎人,正如韦斯所说,“所有的骗子,不小心,上帝知道什么“这种看法在2014年得到了加强,当时南极附近的望远镜BICEP2的科学家发现了大爆炸留下的重力辐射;信号是真实的,但事实证明它是宇宙尘埃的产物韦伯也留下了一群研究人员,他们无法重现他的结果Weiss,因为韦伯在马萨诸塞州的本科生教授工作的困难而感到沮丧理工学院开始设计什么会成为LIGO“我无法理解韦伯在做什么,”他在2000年加州理工学院的口述历史中说道,“我认为这不对,所以我决定我会去我自己“寻找引力波”,大部分动作发生在手机上,“LIGO汉福德网站负责人Fred Raab告诉我 每周都有会议讨论数据和两周一次的会议,讨论两个探测器之间的协调,与澳大利亚,印度,德国,英国和其他地方的合作者“当这些人在半夜醒来做梦时,他们是关于探测器的梦想,“拉布说:”他们必须与它保持密切关系,“他解释说,能够制作出Weiss构思的极其复杂的乐器Weiss的探测方法完全不同于Weber的第一个见解是使天文台“L”形图片两个人躺在地板上,他们的头部接触,他们的身体形成一个直角当一个引力波穿过它们时,一个人会长高而另一个人会收缩;片刻之后,相反的情况将会发生当波浪在一个方向上扩展时空时,它必然会在另一个方向上压缩它

韦斯的仪器将测量这两个波动长度之间的差异,并且它会以巨大的比例进行压缩,使用里程钢管“我不会在桌面上发现任何东西,”他说为了达到必要的测量精度,Weiss建议用光作为尺子他想象把激光放在“L”的弯曲处它会沿着每个管子的长度发射光束,另一端的镜子会反射回真空中的光速是恒定的,所以只要管子被空气和其他颗粒清除,光束就会在弯曲处重新组合

同步 - 除非引力波正好通过在这种情况下,镜子和激光之间的距离会略有变化因为现在一条光束覆盖的距离比它的双胞胎短,所以它们将不再是在他们回来的时候步调一致

不匹配越大,波浪越强,这种仪器需要比以前任何设备灵敏数千倍,并且需要进行微妙的调整才能从中提取消失的信号

这个星球的无所不在的声音Weiss在1972年春天写下了他的设计,作为他实验室季度进展报告的一部分

这篇文章从未出现在科学期刊中 - 这是一个想法,而不是一个实验 - 但根据Kip Thorne,一位名誉教授在加州理工学院,他最着名的可能是电影“星际”,“这是有史以来最伟大的论文之一”,索恩不记得读到魏斯的报告,直到后来“如果我读过它,我当然不明白它,“他说,确实,索恩的引力理论教科书,与查尔斯·米斯纳和约翰·惠勒共同撰写并于1973年首次出版,其中包含一个旨在演示的学生练习用激光测量引力波是不可行的“我很快就转过身来,”他告诉我Thorne转换发生在1975年华盛顿特区的一个旅馆房间里Weiss邀请他与NASA科学家小组交谈

晚上在会议开始之前,这两个人开始谈论“我不记得它是怎么发生的,但我们当晚共享了酒店房间,”韦斯说,他们坐在一张小桌子上,用纸张和方程式填写纸张,被抚养的摩门教徒,喝了胡椒博士; Weiss抽了一根装满Three Nuns烟草的玉米芯烟斗“世界上没有那么多人可以这么说,多年来你们两个都在考虑同样的事情,”Weiss说到Thorne得到的时候回到他自己的房间,天空变得粉红色在麻省理工学院,Weiss开始组装一个带有5英尺臂的小型原型探测器但是他很难得到部门管理员的支持,他的许多同事也持怀疑态度其中一个,一个有影响力的天体物理学家和相对论专家菲利普莫里森坚定地认为黑洞并不存在 - 这是他的许多同时代人所共有的观点,因为缺乏观测数据,因为黑洞是理论上可以发射的唯一宇宙现象莫里森认为,韦斯的仪器没有什么可以找到的,索恩取得了更大的成功:到1981年,加州理工学院正在进行一项原型,一百三十一英尺长的苏格兰物理学家Ronald Drever负责监督其建筑工作,改进了Weiss的设计过程 1990年,经过多年的研究,报告,演讲和委员会会议,Weiss,Thorne和Drever说服国家科学基金会为LIGO的建设提供资金

该项目耗资2.7亿美元,超过任何NSF Weiss说:“这开始了一次巨大的战斗之前或之后的实验”,Weiss说:“天文学家们已经死定了,因为他们认为这将是迄今为止最大的浪费金钱”许多科学家担心LIGO会从其他研究中获取资金当时美国国家科学基金会的项目官员Rich Isaacson帮助该天文台开始工作“他和国家科学基金会一直困扰着我们并承担了巨大的风险,”Weiss说“它永远不应该已经建成,“艾萨克森告诉我”这是几个疯子跑来跑去,没有发现任何信号,谈论推动真空技术和激光技术和材料技术和地震隔离和反馈系统超出了现有技术水平,使用了尚未发明的材料“但Isaacson撰写了关于引力辐射的博士论文,他坚信LIGO的理论基础”我对于NSF内部的引力波群体是一个鼹鼠,“他说,在他们的提议中,LIGO团队警告他们的初始设计不太可能发现任何东西但他们认为,为了理解,必须建造一个不完美的天文台如何做一个更好的“有充分的理由想象这会失败,”Isaacson说他说服NSF,即使在第一阶段没有记录信号,从它出来的精确测量的进步将可能值得投资1994年初破土动工花了数年才使历史上最敏感的仪器对不是引力波的一切都不敏感空气管需要四十天的抽水结果是地球上有史以来产生的最纯净的真空之一,与海平面大气密集的万亿分之一仍然,干扰的来源几乎超出了计算 - 汉福德风的运动,或利文斯顿的海洋;由于电网波动导致激光不完美;镜子内单个原子的抖动;遥远的闪电风暴所有都可以模糊或被误认为是引力波,并且每个震源都必须被消除或控制.LIGO的一个系统通过激活阻尼系统来响应极小的地震震动,该系统以恰当的反作用力推动镜子他们稳定;另一个监视过往车辆,飞机或狼的破坏性声音“还有一万个其他微小的东西,我的意思是一万个,”Weiss说:“每个人都需要正常工作,以免任何干扰信号”当他的同事对天文台的内部组件进行调整时,他们必须建立一个便携式洁净室,对他们的工具进行消毒,并穿上他们所谓的兔子套装 - 全身保护装置 - 以免皮肤细胞或尘埃颗粒意外沉淀下来闪闪发光的光学硬件天文台的第一次迭代 - 初始LIGO,正如团队现在所称的那样 - 在2001年开始运行在接下来的九年中,科学家测量并改进了仪器的性能并改进了他们的数据分析算法

与此同时,他们利用加州理工学院的原型和德国的一家工厂开发出更加灵敏的镜面,激光和隔震技术

2010年,探测器他们离线进行了为期五年,耗资两亿美元的升级他们现在屏蔽得非常好,当汉福德工厂的设施经理将他的哈雷转移到控制室旁边时,科学家监控引力波通道没有看到任何东西(这个场景的测试在日志中被记录为“布巴在电机循环中咆哮”)天文台的第二次迭代,高级LIGO,最终应该能够测量超过千倍的空间

比起它的前辈的一些最辛苦的工作发生在镜子上,Reitze说,它是世界上最好的“到目前为止”每个都是一英尺宽,重达近九十磅,并在内部抛光一个完美球体的一亿分之一英寸 (它们每个花费近50万美元)起初,镜子悬挂在钢丝圈上为了升级,它们被连接到一个钟摆系统,它们甚至可以进一步隔离地震震动它们从融合的纤维中垂下来二氧化硅玻璃,基本上 - 虽然足够坚固以承受镜子的重量,但在最轻微的挑衅下破碎“我们确实发生过一次事件,其中螺钉掉落并钉住一个,它刚刚变成了噗,”Anamaria Effler,前者汉福德工厂的运营专家告诉我,格拉斯哥大学的吉姆霍夫说,纤维的优势在于它们的纯度“你知道,当你轻弹一杯威士忌酒杯时,它会很漂亮吗

”他问道:“融合了二氧化硅甚至比威士忌玻璃更好 - 它就像在小提琴上拔弦一样“这个音符非常薄,LIGO的信号处理软件可以将其屏蔽掉 - 消除干扰的另一个来源A技术检查LIGO的一个光学器件准备高级LIGO的时间比预期的要长,因此新的和改进的仪器的开始日期被推迟了几天,到2015年9月18日Weiss在试图追踪源头之前一周从波士顿调用一些无线电频率干扰“我到达那里,我感到震惊,”他说“到处都是”他建议进行为期一周的维修工作以解决这个问题,但该项目的董事们拒绝推迟第一次观察运行的开始

更长时间“感谢上帝,他们不让我这样做,”韦斯说:“当信号进来时,我会让整个该死的东西脱机”9月13日星期日,艾弗勒和同事一起在利文斯顿现场度过了一天,完成最后一分钟的测试“我们大喊,我们用振动器振动东西,我们开发了东西,我们引入了磁辐射,我们做了各种各样的事情,”她说,“当然,一切都比它更长是的“早上四点,还有一个测试仍然要做 - 模拟一辆卡车司机在附近踩刹车 - 他们决定收拾它们他们开车回家,留下仪器收集数据安静信号到达很久以后,在当地时间凌晨4点50分,在相隔7毫秒的时间内通过两个探测器

在高级LIGO首次正式运行开始前四天事先发现引力波这么早就引起了混乱和怀疑“我告诉大家我们在2017年或2018年之前不会看到任何东西,“Reitze说,巴纳德学院和哥伦比亚大学的天体物理学教授Janna Levin,他不是LIGO科学合作的成员,同样感到惊讶”当谣言传出时开始,我就像,来吧!“她说”他们只是把它锁起来了!“此外,这个信号几乎太完美了”我们大多数人都认为,当我们看到这样的事情时,它会是那样的你需要很多很多计算机和计算来消除噪音,“Weiss说他的许多同事认为信号是某种测试LIGO团队包括一小群人,他们的工作是制造盲注射 - 伪造引力波的证据 - 作为让科学家保持警觉的一种方式尽管每个人都知道该组中的四个人是谁,“我们不知道什么,何时或是否,”合作发言人GabrielaGonzález表示在LIGO最初的最后一次运行中,2010年,探测器发现了一个看似强烈的信号

科学家们对它进行了为期六个月的强烈分析,结论是在它们提交结果之前它是来自Canis Major星座某处的引力波

然而,对于出版物,他们了解到信号是假的

这一次,盲注组发誓他们与信号Marco Drago认为他们的de无关nial也可能是测试的一部分,但Reitze,他自己也是四重奏的成员,有一个不同的担忧“我的担心是 - 你可以提出这个事实,我们只是偏执谨慎做出虚假声明 - 可能有人恶意地这样做了吗

“他说:”有人能以某种方式在我们的探测器中伪造一个我们不知道的信号吗

“Reitze,Weiss,González和其他一些人认为,如果有的话,他们对两者都很熟悉装置和算法欺骗系统并覆盖他或她的轨道 只有四个候选人,没有一个人有一个似是而非的动机“我们烤那些家伙,”韦斯说“不,他们没有这样做”最终,他说,“我们接受最经济的解释是它实际上是一个黑洞对“LIGO科学协作组中的子组关于验证检测的每个方面他们回顾了仪器的校准方法,逐行分离软件代码,编制了可能的环境干扰列表,太平洋沿岸电离层向地震的振荡(“非洲大约同时发生了非常大的雷击,”LIGO首席科学家斯坦惠特科姆告诉我“但我们的磁力计表明它没有创造足够的引起这一事件的干扰“)最终,他们确认检测符合五西格玛的统计阈值,即在物理学中宣布发现的黄金标准这意味着有信号被偶然发现的概率只有3500万中的一个9月14日的探测,现在官方称为GW150914,已经产生了一些重要的天体物理学发现

首先,它代表了第一个观测证据,即黑洞对存在直到现在,它们只存在于理论上,因为根据定义,它们吞噬了它们附近的所有光线,使它们自身对传统望远镜不可见引力波是已知能够逃脱黑洞破碎引力的唯一信息.LIGO科学家已提取出来从信号中获得惊人的数量,包括产生它的黑洞的质量,它们的轨道速度,以及它们表面接触的精确时刻它们比预期的要重得多,如果未来的观察证实,可能会有所帮助

解释如何形成许多星系中心的神秘超大质量黑洞

团队h同样能够量化所谓的敲响 - 三个爆发的能量,这个新的,更大的黑洞在它变成球形时放弃了“看到敲响是惊人的,”莱文说它提供了相对论理论之一的确认关于黑洞的重要预测 - 也就是说,它们在它们合并之后以引力波的形式辐射出不完美的瑕疵

检测也证明了爱因斯坦对于物理宇宙的另一个方面是正确的虽然他的理论涉及引力,但它主要经过测试在我们的太阳系中,一个具有明显微弱引力状态的地方“你认为当你爬楼梯时,地球的引力真的很重要”,韦斯说:“但是,就物理学而言,它是一个小小的,无穷小的,微小的小小的效果“然而,在黑洞附近,重力成为宇宙中最强大的力量,能够撕裂爱因斯坦在1916年所预测的原子,以及LIGO resu这表明他的方程几乎完全符合现实世界的观察“他怎么可能知道这个

”Weiss问道:“我很乐意向他展示我那天早上看到的数据,看看他的脸”自9月14日以来检测,LIGO继续观察候选信号,虽然没有一个像第一个事件那样引人注目“我们之所以大惊小怪是因为这个大家伙,”Weiss说“但我们很高兴还有其他,较小的,因为它说这不是一些独特的,疯狂的,杜鹃效应“几乎所有关于宇宙的知识都是通过电磁波谱来到科学家四百年前,伽利略开始探索可见光的领域他的望远镜从那以后,天文学家们进一步推动了他们的仪器他们已经学会了用无线电波和微波,红外线和紫外线,X射线和伽马射线看到它们,揭示了Carina中恒星的诞生星云和土星第八个月亮上喷出的间歇泉,精确定位了银河系的中心和我们周围类似地球的行星的位置但是超过百分之九十五的宇宙仍然难以被传统的天文学所吸引

引力波可能无法照亮所谓的暗能量被认为构成了这种模糊的主要部分,但它们将使我们能够像以前一样对空间和时间进行调查“这是一种全新的望远镜,”Reitze说 “这意味着我们有一种全新的天文学探索”如果我们以前目睹的是一部无声电影,莱文说,引力波将我们的宇宙变成一个有声电影当它发生时,LIGO可以探测到的特定波浪频率落在人类听觉范围内,大约三十五到二百五十赫兹之间啁啾声太远了,到达地球时听不到它,LIGO只能捕捉黑色的十分之二秒孔的数十亿年的合并,但通过一些最小的音频处理,这个事件听起来像一个滑动的“使用你的手背,指甲,然后沿钢琴从最低A到中C运行它们,你就是得到了整个信号,“韦斯说不同的天体发出各自的引力波,这意味着LIGO及其继承者最终可能会听到类似宇宙管弦乐队的事情

”二元中子星就像是短笛,“Reitze他补充说,隔离式旋转脉冲星可能会像三角形那样形成单色的“叮当”,并且黑洞会填充弦乐部分,从低音提琴开始向上运行,这取决于他们的质量LIGO,他说,只有能够检测小提琴和中提琴;来自超大质量黑洞的波浪,就像银河系中心那样,将不得不等待未来的探测器,具有不同的灵敏度几个这样的探测器正在规划阶段或正在建设中,包括爱因斯坦望远镜,一个欧洲项目的地下武器将是LIGO长度的两倍以上,以太空为基础的三种仪器星座称为eLISA(欧洲航天局,在美国宇航局的支持下,于12月启动了探路者任务)其他探测器已经启动并运行,包括BICEP2望远镜,尽管它最初的误报,仍然可以探测到宇宙历史中更远的引力波的回声Reitze的希望,他告诉我,啁啾将激励更多的投资领域先进LIGO的第一次观测运行来了1月12日结束,Effler和其他调试团队从此开始了另一轮改进

天文台是寸朝其最大灵敏度;在两到三年内,它可能会每天记录事件,在此过程中捕获更多数据它将在夏末再次上线,更加接近我们几乎没有想到的天体音轨“我们正在开放一个宇宙上的窗口与之前的所有窗口完全不同,我们对将要发生的事情一无所知,“索恩说”肯定会有大的惊喜“更正:本文的前一版本错误地说明了引力波一个数量级

作者:翟裸