一個多世紀(jì)前,阿爾伯特·愛因斯坦預(yù)言了引力波的存在。但其存在實(shí)際到 2015 年才被證明。兩公里長的真空管被用作探測器。
就像石頭扔進(jìn)水里在水面上泛起陣陣漣漪一樣,引力波會拉伸和壓縮空間。這種時空的波動由宇宙大災(zāi)難引起,比如爆炸的恒星或碰撞的黑洞。然后,引力波以光速傳播。至少這是愛因斯坦在 1915 年提出廣義相對論時所預(yù)言的內(nèi)容。
不過,在 2015 年之前,神秘引力波的存在為純粹的理論假設(shè),因?yàn)樗鼈兎浅ky以測量。引力波改變了眨眼間的空間,而且只通過原子直徑的一小部分。在預(yù)言提出后一百年,兩個巨大黑洞的碰撞提供了引力波的直接證據(jù)。
數(shù)公里長的測量設(shè)備
這些引力波在時空中波動了20億年,直到2015年9月14日,才略微扭曲了地球上的時空形態(tài)。在美國兩個相距 3000 公里的相同 LIGO 探測器(LIGO = 激光干涉儀引力波天文臺) 能夠測量這些引力波。
它們分別由兩個呈 90 度角的真空管組成。其中一個長兩公里,另一個長四公里。在雙方相遇的地方,激光束被發(fā)射出來,并被分光板一分為二。然后,兩半光束分別進(jìn)入兩根管中。能量回收鏡確保光多次來回反射,直至抵達(dá)分光板,總距離為 1120 公里。如果引力波穿過空間,干涉儀的一個臂會伸展,另一個會收縮。這就導(dǎo)致激光束強(qiáng)度的可測量變化。
真空和測量精準(zhǔn)度
為了確保測量設(shè)備能完全無故障工作,這些真空管必須處于海平面氣壓萬億分之一的壓力下。為此,這些管子z*初加熱 30 天,然后通過高性能真空泵抽取出剩余的空氣。z*后,使用離子泵抽取出剩余的氣體分子。在產(chǎn)生的超高真空中,沒有空氣分子可以使激光束偏轉(zhuǎn)、使鏡子振動,也沒有可能引起光擴(kuò)散的塵埃。
2016 年 2 月,經(jīng)過巨量計(jì)算,參與此工作的科學(xué)家宣布他們實(shí)際上能夠測量引力波并證實(shí)愛因斯坦的理論。憑借在此項(xiàng)目上的工作,萊納·魏斯( Rainer Weiss)、巴里·巴里什
(Barry C. Barish) 和基普·索恩(Kip Thorne)獲得 2017 年諾貝爾物理學(xué)獎。