华盛顿州和路易斯安那州的物理学家最近花了两年时间搜寻爱因斯坦首次预测的神秘引力波,但一无所获:零、零、零、连一丝涟漪都没有。但研究人员表示,这种“零结果”本身就具有巨大的价值,因为它告诉他们下次应该在哪里寻找这些波。这些发现很好地提醒我们,科学进步并不总是关于戏剧性的发现;它通常是一个漫长而细致的测试假设、分析结果和重回原点的过程。爱因斯坦的广义相对论指出,
每当质量加速——即使当你从椅子上站起来——时空曲率就会改变,并产生涟漪。然而,一个人产生的引力波是如此之小,以至于可以忽略不计。但大质量产生的波,例如两个黑洞的碰撞或一次大型超新星爆炸,可能会足够大而被探测到[SPACE.com]。
除了这些大的扰动之外,宇宙被认为充满了来自大爆炸后快速膨胀时期遗留下来的小扰动,这是一种称为随机(意味着随机分布)引力波背景的现象。如果新生宇宙的膨胀产生了强大的引力波,那么在两个激光干涉引力波天文台(LIGO)中心工作的物理学家就会探测到它们。由于他们一无所获,研究人员断定产生了较小的波,而他们需要更灵敏的仪器才能探测到。该研究的合著者 Vuk Mandic 表示,
“我们现在对描述宇宙在不到一分钟大时演化的参数有了更多的了解”[Sky & Telescope]。
这些波很难探测,因为涟漪非常微小。在地球与比邻星——4.3光年——的距离上,引力波只会使空间扭曲到人头发丝厚度的程度[The Times]。
为了捕捉到这些波的踪迹,LIGO的两个探测中心(以及意大利一个名为Virgo的类似探测器)依赖于激光干涉测量技术。这项技术
涉及将一个激光束分成两束,使其沿着两条路径传播,在每条路径的末端反射回镜子,然后返回到探测器,在那里两束光重新组合形成干涉图样。任一光束传播距离的微小变化都会在干涉图样中表现为相对较大的变化。经过的引力波会沿着每条光束的路径扭曲时空,导致路径长度不同,从而改变干涉图样[Ars Technica]。
发表在《自然》杂志上的LIGO 2005年至2007年实验的研究,为引力波背景设定了一个新的上限,并增加了对LIGO和Virgo即将进行的升级的期待,这些升级将在2014年前使这两个探测器的灵敏度提高一千倍以上。Mandic表示,这应该足以证明爱因斯坦的预测是正确的,
“如果先进LIGO看不到引力波,我认为人们会非常惊讶……这种情况很可能需要修改广义相对论”[SPACE.com]。
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