图说百年探索引力波

摘要

激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家们2月11日宣布他们已经探测到了引力波:爱因斯坦在一个世纪前所预言的时空中的涟漪。由美国主导的LIGO座落于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿。《自然》以图说形式来一起回顾一下探索物理学上最难以琢磨的目标的历程。

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在LIGO的大喜日子里,《自然》按照时间顺序列出在时空中寻找爱因斯坦所预言的引力涟漪的大事件。

 

激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家们2月11日宣布他们已经探测到了引力波:爱因斯坦在一个世纪前所预言的时空中的涟漪。由美国主导的LIGO座落于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿。《自然》以图说形式来一起回顾一下探索物理学上最难以琢磨的目标的历程。

1916年6月:爱因斯坦预言苍穹中的涟漪

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SCIENCE PHOTO LIBRARY

在建立起广义相对论(引力是大质量物体产生的周围时空的扭曲)后,爱因斯坦开始思考质量震动时会发生什么。一年后他发表了他的答案:时空会起涟漪,产生“引力波”并以光速传播出去。他和其他物理学家立即展开辩论,这一被预言的波到底是真实存在,还是引入新数学而出现的人为概念。爱因斯坦自己也好几次改变过观点。

1969年6月:有人宣称探测到引力波

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VOLKER STEGER/SCIENCE PHOTO LIBRARY

马里兰大学的物理学家约瑟夫·韦伯(如图)相信引力波是真实存在的。1969年他宣布在他自己发明的探测器上发现了引力波,他的仪器是一个长2米直径1米的铝质圆筒,在受到引力波冲击时会“鸣响”。没有人能够重复他的工作,所以除了韦伯自己,其他科学家逐渐都不承认他的工作。无论如何,他的工作把许多科学家吸引到引力波领域。

1974年:中子星使得引力波的探测前进了一步

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NASA

更加被广泛认可的发现来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的约瑟夫·泰勒和他的研究生拉塞尔·赫尔斯。他们在1974年发现了被命名为PSR B1913+16的首例脉冲双星(图为艺术图)。它有两颗靠得很近的中子星互相围绕运行,同时还向内做螺旋运动,完全符合爱因斯坦的理论——如果引力波带走它们的能量的话。作为对引力波的间接观测,这一发现让赫尔斯和泰勒获得了1993年诺贝尔物理学奖,他们的获奖理由是:“发现了一种全新脉冲星,这一发现提供了新的研究引力的方法。”

1990年:进入LIGO

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LIGO Laboratory

当麻省理工大学和加州理工大学的科学家们提交建立巨型探测器采用激光干涉技术来寻找引力波的计划时,许多科学家对此表示强烈反对。他们担心这会导致其他研究经费被大幅削减,而更重要的是,这一研究恐怕最终会一无所获。但是美国国家科学基金会(NSF)在1990年批准了修建LIGO的计划,并在1992年选择了放置两座探测器的地址:华盛顿州的汉福德(如图)和路易斯安那州的利文斯顿。1999年完成了工程建造,2001年开始收集数据。到2010年两座探测器因为需要升级而被关闭时,一无所获。

2014年3月:宣称发现原初引力波

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Steffen Richter/ Harvard University

2014年科学家们宣称位于南极洲的BICEP2望远镜(见图)发现引力波的另一种类型的证据,用BICEP2望远镜发现了B模偏振——这是一种极其细微的微波信号,科学家们相信这是来自于大爆炸所产生的“原初”引力波的。但后来发现他们错了:信号是来自于我们银河系中的星际尘粒。

2015年:增强LIGO

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LIGO Laboratory

大幅升级后的LIGO去年9月开始首次观测,LIGO在升级后能够搜索的空间范围比以前大大提高了。2016年1月升级后的LIGO,即“增强LIGO”完成了首个运行时段。(图:对位于利文斯顿探测器的检查)

2016年2月:LIGO宣布成功

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Chris Maddaloni/Nature

2月11日华盛顿,在挤得水泄不通的新闻发布会上(图:加布雷拉·冈萨雷斯、雷纳·韦斯和基普·索恩),来自于LIGO团队的科学家们宣布,他们首次直接探测到了引力波。

作者:M. Mitchell Waldrop

翻译:无穷的探索

来源:《自然》杂志网站

(原文链接:http://www.nature.com/news/the-hundred-year-quest-for-gravitational-waves-in-pictures-1.19340 )

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