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某一个科学问题被提出来之后,西方科学家首先是相信你,然后想办法来进行验证,看看是否有科学根据。探测引力波的韦伯就是这样的一个例子。
棒状引力波探测器是最早的一种引力波探测器,是20世纪60年代美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)首先制造的[1],因此也称为韦伯棒(Weber bar)。采用铝质实心圆柱,长2米,直径1米,用细丝悬挂起来。这样的圆柱具有很高的品质因子(阻尼系数的倒数),振动时的能量损失率很小,本征频率在1k赫兹以上。当引力波照射到圆柱上时圆柱会发生谐振,继而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测出来。它的缺点是容易受到地震、空气振动、温度和湿度变化、空气分子布朗运动的干扰。为排除这些干扰,韦伯在相距1000公里的地方放置了两个相同的棒状探测器,只有两个探测器同时检测到的振动才被记录下来。1968年,韦伯宣称他的探测器得到了可靠的结果,立刻引起轰动,但是后来的重复实验都得到了零结果,并且发现韦伯的棒状探测器的噪声远远大于引力波带来的响应。此后意大利、澳大利亚、美国的科学家都相继建造了类似的铝质圆柱形探测器,有的采取了更复杂的减震、低温、真空等措施排除干扰,如意大利在罗马附近建造的重2.3吨、温度冷却到0.1K的棒状波探测器。但是这些探测器都没有得到令人信服的证据。据报道,目前美国科学家们声称他们发现了改善用于检测宇宙大爆炸的引力波的探测器的方法。美国加州理工学院的研究人员表示他们发现了在一个相对大的物体里观察和控制某种名为“量子运动”的方法。
在量子力学里,主导物质和光行为的原则发生在原子规模,没有完全处于休息状态的。“在过去几年里,我的研究小组和全世界其它几个科研小组了解了如何冷却微米级别物体的运动,从而在底部产生这种状态,或者称为量子基态。”加州理工学院应用物理学教授基思·施万布(Keith Schwab)这样说道。
“但是我们知道,即使在量子基态,在零度的温度下,仍会产生微小的波动,或者噪声。” 理论上来说量子运动或者噪声是所有物体运动的内在部分,它可以摆脱用于测量引力波的敏感探测器。施万布和他的同事设计了一款设备,使得他们可以观察到这个噪声并操控它。
这个微米级别的设备是由一个位于硅表面上方的灵活铝盘组成的。这个铝盘被偶联到一个超导电路,后者每秒振动350万次。根据经典力学定律,如果被冷却到基态,振动结构最终将达到完全的停止状态。但是当施万布和他的同事在实验里将弹簧冷却到基态时,他们所观察到的结果却并非如此:他们发现参与的能量-量子噪音仍然存在。
“这个能量是自然量子描述的一部分,你无法剔除它。” 施万布说道。“我们都知道量子力学精确的揭示了电子的行为为何如此怪异。在这里,我们将量子力学应用到相对大的东西上,也就是一个你可以在光学显微镜下看到的设备,然后我们在几万亿个原子里观察到这个量子效应。”
然后,研究人员发明了一种方法操控内在的量子噪声,结果发现可以将它周期性的减少。“描述噪声或者运动有两个主要的变量,” 施万布解释道。“我们的研究展示了我们其实可以让其中一个变量的波动变得更小——代价是让另一个变量的量子波动变得更大。这就是所谓的量子压缩态,我们在一个方面压缩噪声,但是这种压缩导致噪声在其它地方喷射出来。但只要这些更多噪声的地方不是你需要进行测量的地方,那就无所谓。”
控制量子噪声的能力或将有一天被用于提高非常敏感的测量的精确度,例如在雷射干涉仪重力波观测站(Laser Interferometry Gravitational Wave Observatory, 简称LIGO)进行的测量。它被由加州理工学院和麻省理工学院带领的研究项目用于搜寻时空织布里的涟漪引力波。
“我们一直在思考使用这些方法检测脉冲星发出的引力波,脉冲星是异常密集的恒星,它的质量与太阳相当,但却被压缩成半径只有10千米,每秒旋转10至100次。在二十世纪七十年代,加州理工学院的物理学家基普·索恩(Kip Thorne)等人在发表的文章中表示,这些脉冲星应该以近周期性的频率发射引力波,” 施万布说道。“所以我们一直在思考如何将这些这些方法应用在小规模物体上,以减少探测器里的量子噪声,从而增加接收这些引力波的敏感性。”
为了实现这一点,目前的设备必须被放大。“我们的工作旨在检测越来越大规模的量子力学,有朝一日,我们希望这将最终开始检测到某些大至引力波的庞然大物。
————澳大利亚科学家听见黑洞“声音”————
黑洞是宇宙最为神秘的天体之一,其拥有巨大的质量,可达到数十亿倍太阳质量以上,银河系中央黑洞质量新的探测器测试将涉及长基线测量技术,监“听”宇宙黑洞的神秘“声音”相当于400万颗太阳,那么黑洞是如何形成的?科学家试图通过多种手段发现黑洞的存在,比如黑洞可吸积周围的天体物质并释放出射线,我们可以观测被吸积天体的行为来推测黑洞的存在,科学家还在探索新的方法来研究黑洞,即引力波,澳大利亚各地的物理学家在澳大利亚国际引力研究中心展开研究,这里位于珀斯以北87公里左右,他们的任务是通过引力波来捕捉黑洞,监“听”到黑洞的诞生。
引力波天文台发展委员会主席Jens Balkau等是推动该计划发展的关键人物,试图通过引力波来调查宇宙中最为神秘的黑洞天体。引力波可以认为是时空中的“涟漪”,从宇宙大爆炸开端时就已经出现,大质量天体行为可产生极为强大的引力波,但是传递到地球时已经非常微弱,我们现在的探测精度还需要进一步提高才能有效调查引力波行为。
宇宙中的极端事件众多,比如超新星爆发、恒星之间的碰撞,根据引力波的理论,其携带了大量的能量,并且以光的速度在宇宙中传播,由于这些宇宙事件距离我们非常遥远,因此几乎察觉不到宇宙中的引力波事件。
目前世界上大约有1000名物理学家未来数年内在欧洲、美国和日本开启巨大的超灵敏探测器测试,其信号将达到此前的1000倍,依靠先进的探测器改变引力波天文学。实验小组将安装由CSIRO开发的高纯度石英玻璃镜面以及最先进的阿德莱德制造的光学感应器,可以确保探测器“听”到宇宙之声。
澳大利亚在国际引力波探索方面有着超过20年的历程,西澳大学在1993至2000年操作的探测器是世界上最好的引力波探测器之一,可对银河系引力波源进行观测。
————科学家间接证实了“双白矮星”发出引力波————
在此之前由欧洲核子研究中心发现的希格斯玻色子是一个众所周知的不容易完成任务,而探测宇宙中的引力波也存在类似的性质。科学家们通过射电信号首次探测到这些奇特的时空涟漪,形成原因来自中子星的双星系统。现在,一组天文学家研究团队所在视觉波长上发现了类似的效应,同样由一个相互围绕旋转的白矮星发出。
根据该研究小组的成员、来自史密森天体物理天文台的研究人员沃伦·布朗(Warren Brown)介绍:“这个发现结果是引力波效应探测上最强的信号、而且受到的干扰也最小。”在过去的一年,研究小组发现了这个白矮星系统的存在,白矮星是一种体积较小但密度极高的恒星,被认为是低质量恒星演化的产物,这颗白矮星双星系统靠的非常之近,其编号为SDSS J065133.338+284423.37,每13分钟就能完整一次轨道周期,它们的距离相当于三分之一地球到月亮的距离。
根据德克萨斯大学奥斯汀分校教授的研究生J·J赫马斯(J.J. Hermes)介绍:“J0651白矮星双星系统距离我们大约3000光年,每六分钟左右就会出现一次遮掩。”爱因斯坦的广义相对论中就预言了宇宙空间中的移动天体可以对时空构成影响,形成时空涟漪,其被称为引力波。引力波的产生意味着这个白矮星双星系统能量在降低,因为引力波带走了一些能量,这样演化下去的结果便是它们的轨道越来越靠近,旋转得越来越快。研究小组的科学家称我们有能力探测到此类效应在J0651白矮星双星系统中存在。
根据奥克拉荷马大学的研究人员认为相比较于2011年4月对J0651白矮星双星系统探测结果,科学家们发现了相互遮掩的周期加快了。从这些探测结果中,科学家们可以对J0651白矮星双星系统中的引力波探测推断出其轨道的衰减程度,可在将来直接探测到。最终这两个白矮星就发生合并,时间大约在200万年左右,未来对引力波的探测将继续揭示J0651白矮星双星系统中的轨道变化情况,试图了解白矮星潮汐力如何进行相互影响。
————澳洲科学家利用激光干涉技术检测引力波————
据报道,我们对于宇宙的理解来自我们长久以来的观测,而现在,人类已经站在一个临界点上,或许我们即将发现长久以来一直未能被观测到的东西。
这就是引力波。对于这种神秘现象的搜寻已经持续了一个世纪。这是爱因斯坦广义相对论所预言的一种现象,但是长久以来物理学家们一直在争论其是否的确真实存在。
1957年,物理学家们证明,如果引力波的确存在,那么它必定要携带能量并因此引发震荡。但同样显而易见的一点是,这些携带能量比太阳光高出100万倍的波所引发的震荡幅度将会比一个原子核直径还要小。
要想检测这样的波动,建造相应的探测装置似乎是一个不可能完成的任务。但就在1960年代,马里兰大学一名标新立异的物理学家约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)开始尝试设计第一款这样的装置,并且在1969年宣布取得了成功!
这一消息引发一片兴奋和惊愕之情。如此巨大的能量如何能与我们对恒星和星系的理解相协调?于是,一股科学的淘金热诞生了。在两年内,全世界的顶尖实验室便研制出了10种新型探测设备。但实际进行检测的结果是一样的:什么都没有发现。
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