凭借真空获得诺贝尔奖 - 巨大的真空管帮助证明引力波的存在

凭借真空获得诺贝尔奖 - 巨大的真空管帮助证明引力波的存在

一个多世纪前,阿尔伯特·爱因斯坦预言了引力波的存在。但其存在实际到 2015 年才被证明。两公里长的真空管被用作探测器。
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就像石头扔进水里在水面上泛起阵阵涟漪一样,引力波会拉伸和压缩空间。这种时空的波动由宇宙大灾难引起,比如爆炸的恒星或碰撞的黑洞。然后,引力波以光速传播。至少这是爱因斯坦在 1915 年提出广义相对论时所预言的内容。 

不过,在 2015 年之前,神秘引力波的存在为纯粹的理论假设,因为它们非常难以测量。引力波改变了眨眼间的空间,而且只通过原子直径的一小部分。在预言提出后一百年,两个巨大黑洞的碰撞提供了引力波的直接证据。 

数公里长的测量设备

这些引力波在时空中波动了 20 亿年,直到 2015 年 9 月 14 日,才略微扭曲了地球上的时空形态。在美国两个相距 3000 公里的相同 LIGO 探测器(LIGO = 激光干涉仪引力波天文台)能够测量这些引力波。

它们分别由两个呈 90 度角的真空管组成。其中一个长两公里,另一个长四公里。在双方相遇的地方,激光束被发射出来,并被分光板一分为二。然后,两半光束分别进入两根管中。能量回收镜确保光多次来回反射,直至抵达分光板,总距离为 1120 公里。如果引力波穿过空间,干涉仪的一个臂会伸展,另一个会收缩。这就导致激光束强度的可测量变化。 

真空和测量精准度

为了确保测量设备能完全无故障工作,这些真空管必须处于海平面气压万亿分之一的压力下。为此,这些管子最初加热 30 天,然后通过高性能真空泵抽取出剩余的空气。最后,使用离子泵抽取出剩余的气体分子。在产生的超高真空中,没有空气分子可以使激光束偏转、使镜子振动,也没有可能引起光扩散的尘埃。

2016 年 2 月,经过巨量计算,参与此工作的科学家宣布他们实际上能够测量引力波并证实爱因斯坦的理论。凭借在此项目上的工作,莱纳·魏斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry C. Barish) 和基普·索恩(Kip Thorne)获得 2017 年诺贝尔物理学奖。


从 2015 年第一次测量开始,重力研究已在时空中记录了更多波动。最后一次记录是在 2017 年 8 月 14 日。它由位于意大利利沃诺附近的一个类似建筑的探测器——Virgo(最近开始与 LIGO 合作)发现。此波动来自于发生在大约 18 亿光年之外的恒星碰撞。研究人员希望能够获得有关历史和宇宙物理学的新信息,而这些信息以前是无法获知的。此外,探测器或许能够找到暗物质的痕迹,虽然这实际上与引力波没有任何关系。

迄今,暗物质的存在只是一个理论假设——就像引力波的存在直到最近才发现一样。天体物理学家参照其测量结果和计算得出结论,如果暗物质不存在,星系会在旋转离心力的作用下而四分五裂。暗物质的质量必须是可见物质的 5 倍。

通过 LIGO 和 Virgo 探测器,天文学家不仅能够找到黑洞,而且还能够"听到"他们对星系诞生的看法。其中一个关于暗物质的理论,指出暗物质由宇宙大爆炸产生的"原始"黑洞组成。虽然此假设代表了少数物理学家的观点,但重力探测器可以提供支持或反驳数据,以便科学可以关注其他解释模型。


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