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施郁:引力波,打开人类认识宇宙的新窗口

2017-11-28 13:14 来源: 新华网

新华网上海11月28日电(钟艳平) “激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到引力波,打开了人类认识宇宙的新窗口。”复旦大学物理学系教授、博士生导师、全国量子力学研究会副理事长施郁在“上海科协大讲坛暨科技前沿大师谈 解读2017年诺贝尔物理奖科普报告会”现场接受新华网采访时说。

2015年9月14日,LIGO首次直接探测到引力波,2016年2月12日宣布后,引发社会公众高度关注。2017年8月17日,LIGO探测到一对中子星碰撞产生的引力波,相关结果于10月16日正式公布后,又一次轰动世界。

施郁提出,时空像一个无处不在的材料,可以弯曲、振动,振动的波就是引力波。他表示,引力波经过的地方,任意两点之间的距离都会产生波动式的改变。“比如一个气球,在气球表面画两个点,吹气球时,两点之间的距离就会变大。将气球表面类比宇宙,气球的膨胀就类似宇宙的膨胀。现在,如果在气球表面某处拧一下、敲一下,气球表面就会发生振动的传播,也就是波,波可以传到气球表面上画的两点,引起它们之间距离的变化。这个波可以类比于宇宙中的引力波,虽然具体的振动模式不一样。”施郁生动地介绍。

2017年10月,瑞典皇家科学院宣布,今年诺贝尔物理学奖一半授予雷纳·韦斯,另一半授予巴里·巴里什和基普·索恩,以表彰他们“为激光干涉引力波天文台(LIGO)以及引力波的观测所作的决定性贡献。”为什么引力波探测在这么短的时间内获得诺贝尔奖?

施郁表示,引力波是100年前爱因斯坦根据广义相对论所作的一个预言,经过几代物理学家坚持不懈的努力,100年后引力波被直接探测到,这对人类探索神秘无垠的宇宙具有重要的意义。他认为,LIGO探测到引力波,直接验证了广义相对论和它预言的引力波的存在,开启了人类对强引力、随时间变化的引力以及黑洞的直接观测,打开了人类认识宇宙的新窗口。“之前我们关于宇宙的信息来自宇宙中传来的电磁波和粒子,如宇宙线和中微子,而引力波带来了主宰宇宙的引力的直接信息。”施郁说,LIGO探测到黑洞并合产生的引力波,也证明了黑洞的存在。

宇宙中最强的引力波传到地球时,导致的相对长度变化为0.0…01(其中小数点后面有21个0),而且引力波的频率有特定的范围,因此引力波很难直接探测。施郁介绍,LIGO的光学系统由激光、镜子和光探测器组成,其稳定性由抗干扰的衰减系统和超真空保证,还通过功率循环的方法增强激光功率。“为克服环境扰动,LIGO有一套复杂的反馈控制系统。防振的第一道防线是衰减隔离系统。还要克服镜子内部和周边原子的无规律运动。镜子由特殊的石英玻璃制成,吸收光子非常少,并用辅助措施抵消激光引起的形变,镜子涂层材料既有高反射率,也能尽量降低热噪声。微观上,光由光子组成,具有量子不确定性,这导致量子噪声,LIGO通过调节激光的特性来克服量子噪声。”施郁告诉记者。

“LIGO成功探测引力波对我国而言具有诸多可借鉴的经验,”施郁建议,我国需要尽快建立自己的观测台,并积极参与国际合作,同时,通过小规模的理论和实验工作,深入研究与引力波探测相关的各种问题。

 

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作者: 钟艳平   [责任编辑: 刘丫]