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(CMVU)
德国汉诺威莱布尼茨大学马克斯-普朗克引力物理研究所2016年新闻发布会上展示的引力波的可视化。
研究所 1916年,阿尔伯特-爱因斯坦在他的广义相对论中预言了引力波的存在--时空的裂痕(宇宙运行的概念模型)。但直到2015年,激光干涉仪引力波天文台才利用位于华盛顿州汉福德和拉脱维亚利文斯顿的天文台的专用干涉仪,证明了引力波的存在。据报道,该设备将两个或更多的光源合并,以创建一个可测量的干涉图案。
干涉仪是由麻省理工学院的物理学教授、LIGO的创始人之一Rainer Weiss在1972年设计的。LIGO与意大利比萨的Virgo天文台合作--该天文台也使用了类似的干涉仪设计。据LIGO网站介绍,自第一次探测以来,LIGO和Virgo已经记录了10对合并的黑洞和两对碰撞的中子星产生的引力波事
LIGO和室女座的工作还启发了一个新领域的形成,即多信使天文学。根据康奈尔大学的一篇关于该领域的论文,它是通过宇宙射线、引力波和光子等信使粒子来研究太阳系中的各种事件和物体。
2月3日,Weiss的干涉仪设计在IEEE第5、6、8地区获得了IEEE里程碑的纪念。这是第一次在三个不同的地区安装Milestone。IEEE巴吞鲁日(路易斯安那州)、里奇兰(华盛顿州)和意大利分会赞助了这项提名。
里程碑计划由IEEE历史中心管理,并得到捐赠者的支持,旨在表彰世界上杰出的技术发展。
"LIGO和Virgo对引力波的研究为观察宇宙提供了一个全新的窗口,"荷兰研究委员会(NWO)研究所组织主任Miriam Luizink在2月3日的奉献仪式上说。"它为时空、我们的宇宙、宇宙的起源和命运等基本问题带来了深刻而重要的答案。"
NWO的荷兰国家亚原子物理研究所于2020年加入欧洲引力天文台。EGO是20年前由意大利国家核物理研究所和法国国家科学研究中心在比萨附近成立的。它是处女座观测站的所在地。
在IEEE.tv上可以看到虚拟的IEEE里程碑落成仪式。
一个困难的问题
当魏斯在1967年加入麻省理工学院担任物理学助理教授时,系里让他教授一门广义相对论的入门课程。但据《麻省理工学院新闻》2017年一篇关于这位物理学家的文章称,他对这门课知之甚少。当他的学生要求他解释物理学家约瑟夫-韦伯据说是如何使用铝圆柱体探测引力波时,魏斯发现他无法解释。
韦伯的装置由长2米、直径1米的圆柱体以及若干天线组成。他宣称,当装置检测到引力波时,圆柱体会振动。据美国物理学会网站2020年一篇关于韦伯的文章称,科学界没有人能够复制韦伯的结果,后来这些结果被否定。
韦斯和他的学生一起设计了自己的机器来探测引力波。他的L型干涉仪最终成为首次探测到波的机器。
他的设计要求一个有两个臂的装置。镜子悬挂在臂的两端。当激光沿着手臂的长度向下瞄准时,它会从镜子上反弹并回到每个手臂上。激光束需要同样的时间才能回到起点。Weiss的理论是,如果引力波通过干涉仪,它应该会稍微移动镜子的位置--这将改变激光束到达手臂的时间。
Weiss改进了设计,并制造了一个1.5米的原型机来测试他的理论。他发现干涉仪的臂越长,其光学元件就越敏感,这使他相信,如果制造的尺寸足够大,他的设计就会成功。
LIGO的诞生
直到1976年,魏斯的理论才开始成为现实。他与物理学家基普-索恩(Kip S. Thorne)合作,后者在加州理工学院成立了自己的引力波实验研究小组。两所学校形成了合作关系。
位于华盛顿州汉福德的LIGO观测站。
Weiss、Thorn和加州理工学院的物理学家Ronald Drever,在20世纪80年代初创立了LIGO。在实验物理学家巴里-巴里什(Barry C. Barish)的帮助下,三人完善了一个足以探测引力波的干涉仪的尺寸和科学要求。在LIGO担任首席研究员的巴里什于1994年晋升为项目主任。
20世纪90年代中期,LIGO得到了美国国家科学基金会(NSF)的资金支持,并在汉福德和利文斯顿建立了干涉仪。
这些干涉仪--有史以来最大的干涉仪--有两个4公里长的臂,每个臂的末端都有一面高25厘米、厚10厘米的悬浮镜。
1997年,在巴里什的指导下,LIGO科学合作组织成立。它汇集了国际机构和研究小组,共同寻找引力波。在IEEE里程碑献礼仪式上,巴里什说,"科学专业知识并不在世界的一个地方",LIGO "在很大程度上依靠国际合作和贡献"。
2015年9月14日,美国东部时间上午5点51分,两个LIGO观测站探测到了第一个引力波。据2017年《麻省理工学院新闻》文章称,科学家们在观测站中发现了微弱的晃动,并证实干涉仪在微观上被拉伸了 "仅仅是质子直径的万分之一"。扭曲的发生是因为以光速传播的引力波的传递。
该信号是地球上的仪器首次直接探测到引力波。麻省理工学院新闻文章称,处女座发现这些波是由两个黑洞合并产生的--这是13亿年前发生的事件。
魏斯、索恩和巴里什因其工作获得了2017年诺贝尔物理学奖。