巴里斯教授获胜,会同教授。Rainer维斯Kip Thorne, 2017年诺贝尔物理学奖的决定性贡献LIGO探测器和引力波的观测。

重心从牛顿到爱因斯坦

1687年,伟大的英国数学家和物理学家牛顿发表了他的著名的书,原理(1),他提出了他的理论的重力——第一个“通用”理论科学。牛顿的理论证明,两个物体之间的引力成正比的产品质量成正比,和与他们之间的差距有多远的平方。这听起来很复杂,但是这意味着大规模的对象越多,彼此,距离越近,越强的引力。虽然这是真的,原来牛顿的理论也有一些局限性。

首先,你可曾想过为什么,当一个苹果从树上掉下来,它下降下来而不是向上吗?当你跳,你为什么回来到地球而不是向上飞行?牛顿的理论并不会回答这些简单的问题。它只告诉我们量两个物体的重力对对方,像苹果和地球之间的力或你和地球之间。牛顿的理论不考虑方向对象之间的力(向对方或彼此远离)也不解释第一宫(重力从哪里来图1)。

第二个困难与牛顿的理论有点难以把握。想象太阳突然消失了。如果现在消失了,需要大约8分钟之前我们可以看到它不再存在,因为它需要8分钟来自太阳的光线到达我们的眼睛。这同样适用于其他所有发生在弃舍世间需要时间旅行的信息从事件的观察者。所以,当一个苹果从树上掉下来,应该花一些时间(即使只有一小部分秒)为观察者知道到底发生了什么(图1)。牛顿的理论不考虑这个时间间隔,根据他的理论,观察者看到了苹果落在完全相同的时刻,它实际上下降。我们知道这是不现实的情况;因此,我们可以得出结论,在牛顿的理论缺失的东西。

我们如何解决这两个难题带来的牛顿理论?幸运的是,200多年后牛顿的物理学家爱因斯坦产生一个解决方案。1915年,爱因斯坦发表了一个新的理论,广义相对论引力理论(2]。爱因斯坦的理论有着完全不同的重力,它帮助我们理解牛顿理论无法解释的事情。这并不意味着牛顿的理论是错的或者unhelpful-it只是意味着它是不完整的,而且新理论帮助我们理解更深。爱因斯坦的理论说,在任何大规模的对象,空间和时间是影响扭曲或弯曲,这创造了一个拉向对象。

这是一个简单的方法来理解爱因斯坦的引力理论。想象把大理石在平坦的蹦床。大理石是静止的,不动(图2一个)。但是,如果你把一个大保龄球中心的蹦床,使蹦床曲线,大理石会跌向蹦床的中心(图2 b)。沉重的保龄球的存在扭曲了蹦床占用的空间,大理石朝着保龄球,仿佛被它所吸引。这基本上是发生在爱因斯坦的广义相对论。周围的任何质量扭曲了空间之间的方式创建一个吸引大众。这张照片牛顿的重力回答了这个问题不可能回答:为什么引力(以及如何)创建一个有吸引力的力量,和你为什么下降向当你跳起来地球?第二个问题,涉及到时间,也解决了爱因斯坦,因为他的理论考虑了光速。在下一节中,我们将看到一个有趣的和重要的现象被称为引力波,爱因斯坦的引力理论预测。

引力波是什么?

的预测之一爱因斯坦的广义相对论,重力波-引力波(3,4]。引力波思考一个简单的方法就是想象自己仍由池塘…那么你池塘里扔石头。岩石中引人注目,池塘的底部滴。尽管岩石现在休息在池塘的底部,你仍然可以看到效果,表面的水,海浪正从中心向外(图3一)。这也与引力波想象会发生什么。是什么让重力波不是一块石头落入池塘,而是巨大的物体的运动或碰撞空间(图3 b)。

挑战和成功的探测引力波

在爱因斯坦的理论预测引力波的存在,实验物理学家开始尝试检测到它们。我自己有专门的20多年的我的生命发展的方法来检测重力波和我仍然这样做。事实证明,当涉及到引力波,我们都有很大的不幸和一个大财富。不幸的是,我们目前不能做引力波在我们的实验室,因为他们对我们太弱了与我们有可用的技术检测。这是一个不幸,因为好的实验是我们理解所有,这是更容易在实验室完成。

另一方面,我们有一个伟大的fortune-nature本身创造了引力波,远比任何我们可以在实验室里。这意味着一些天文事件创建引力waves-two我提到下面可能会与我们现在发现,最先进的探测器。虽然这些事件必须在宇宙中最暴力的和充满活力的天文事件为我们来检测他们,他们仍然经常发生足够的研究。宇宙中最暴力的事件是极重的物体的爆炸和碰撞。

引力波的一个优秀的可能来源,我们可以检测是一种爆炸称为超新星。超新星发生在大质量恒星被老内迅速崩溃。崩溃造成了一个巨大的温度和压力的增加,可以提高核聚变,在轻核原子结合成较重的原子核和释放能量。这可能引发所谓的“失控的核聚变,”¹导致巨大的能量创造的恒星爆炸,根据爱因斯坦的理论,强烈的引力波。

当涉及到暴力冲突的空间,一些最精力充沛的之间巨大的物体如黑洞和中子星。黑洞已知的宇宙中最庞大的天体,他们有这样强大的引力,“燕子”,靠近他们,甚至明星。没有什么能逃脱黑洞内,即使light-hence他们的名字。中子星是超大的恒星的残骸已经倒塌,密度极高,主要由中性的亚原子粒子称为中子。

2015年,第一个引力波被发现(5]。与我的两个同事,Rainer维斯Kip Thorne,我为这一发现获得了诺贝尔物理学奖,仅仅两年后,在2017年。通常至少需要20年之前科学家获得诺贝尔奖,但引力波的发现是特殊的意义,下面我将解释原因。自从那些第一次引力波的观测两个黑洞的碰撞,我们后来发现其他碰撞产生引力waves-one 2017年,两个中子星(6),另一个在2020年,黑洞和中子星(7]。

测量引力波

当我们衡量引力波,实际测量(波动),他们创造的扭曲时间和空间。当这些扭曲到达我们的探测器,他们非常small-much较小甚至比单一的大小质子。测量这么小的信号,我们的探测器必须变换精度大于质子的大小!你可以想象,这是非常难以实现的,它需要一个非常特殊的技术的使用干涉测量法。我不会在这里详细描述,但干涉法使用激光束之间的相互作用非常小的收缩和扩张的空间²。如此敏感的测量,我们需要隔离设备所以不让任何事物烦扰我们measurements-even微小运动可能沼泽信号我们正在寻找。干扰的一个来源是地球本身的运动,这震动,因为它在轴上旋转(这摇晃太温和的感觉,但它是被敏感的仪器)。这意味着我们需要浮动测量仪器,以便它不接地球的运动。

它已经建立仪器测量引力波极具挑战性。我们使用的仪器叫做LIGO,即激光干涉引力波天文台。LIGO几公里长(图4)。建造和运营成本超过10亿美元。多我的工作仍然需要发展技术,使我们能够取得更大的敏感性引力波的探测,没有多余的动作破坏我们的测量。很多人问我,如果它是令人沮丧的工作超过20年的同样的问题。我的答案是绝对不会!我有大量的有趣的解决问题,这是一个莫大的荣幸做一些从来没有人做过的事。

引力波:宇宙的新窗口

那么,什么是引力波的重要性在试图了解宇宙吗?首先,引力波帮助我们验证爱因斯坦的广义相对论确实是正确的。尽管爱因斯坦的理论似乎有效和非常准确,它不是唯一的理论预测引力波。证实了爱因斯坦的理论是正确的,可以解释什么是重力和它的功能,我们需要测量的细节我们探测引力波。

第二,引力波可以帮助我们学习新的宇宙万物。你可以把它作为一个新时代在天文学中,就像那个著名的天文学家伽利略发起的400年前,当他做了一个望远镜,看着天空。我们可以使用引力波看宇宙在一个完全不同的方式比我们可以使用前一个“引力望远镜。“引力波研究可以帮助我们更好地了解灾难性的(非常强大的)天文事件发生,比如黑洞和中子星碰撞。这些信息可以提供见解关于事件发生在宇宙的早期阶段形成的,,也可以帮助我们找到有趣的问题的答案对我们自己的星球,等多重元素,如黄金和白金抵达地球³。

然而,我们还没有与引力波非常复杂的工作,所以我们通常把我们得到的信息从重力测量数据,我们已经从望远镜。这是使我们能够构建一幅宇宙事件远远超出我们能理解没有引力波的使用。在未来,我们就能更好地探测引力波,我们希望看到通过使用宇宙现象只有引力波。这些在宇宙学是非常激动人心的时刻,因为我们的能力在宇宙探测引力波打开一个新窗口的事件,这将帮助我们更好地理解我们的宇宙。

对年轻人的建议

的一课我学会了在生活中是重要的是要注意你的梦想和努力实现它们。梦想未来的告诉你一些关于你想要的生活是一个物理学家或一个艺术家,或者只是做一些令人愉快,就像旅行或追求一个你喜欢的爱好。你没有成功的一切梦想给你打电话,但你的梦想是告诉你一些关于它的路线。

另一个巨大的教训,我学会了,在我的生活中我所做的一切都是由一个词:好奇心。年轻人自然很好奇,你应该珍惜你的好奇心,不让任何昏暗的撤你的老师,不是你的父母,也不是其他任何人。所以,我的建议是,追求你的好奇心,玩得开心,追逐你的梦想,忽略一切可能会限制你的热情。

如果你对科学感兴趣,科学可以有很多乐趣。没有比这更好的在生活中做一些好,开心,谋生。所以,对我来说,科学是一个很好的职业。但是你必须记住,失败是科学的一部分,接受,不是你做的每件事都将会成功…失败可以是一件好事。当你在科学的前沿,做一些从未做过的事,有时是令人沮丧的。每一天,你会在情况下你不知道你是否取得进步或者甚至一个新发现,是否你会做些什么,不工作。为个人和我一样,这种未知的贡献做科学的乐趣!

术语表

重力:↑一个力,使走向另一个对象。

引力波:↑干扰而导致的空间和时间的巨大的物体的运动和扩散波,以光的速度。

超新星:↑当一个大质量恒星变老,它耗尽了燃料,冷却下来,向内崩溃。这会产生大量的能量,引发核聚变,导致了巨大的爆炸。

核聚变:↑反应中原子的原子核融合创造较重的原子核,释放出大量的能量,周围的环境。太阳的温暖和阳光产生核聚变。

黑洞:↑已知的宇宙中最庞大的天体,引力是如此强大以至于什么都没有,包括光,可以逃脱。

中子星:↑的巨星恒星崩溃时耗尽燃料。他们通常仅10公里,非常密集。

质子:↑一个带正电的粒子出现在所有原子的原子核。质子小于人类头发的宽度的1000000000。

干涉测量法:↑一个使用激光测量技术检测很小的现象,比如引力波在我们的案例中。

的利益冲突

作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

我要感谢诺亚戈夫进行面试,作为本文的基础,和与人合写。

脚注

1。↑了解更多关于失控的,看到的热失控。

2。↑想要了解更多关于干涉法,以及它是如何用来探测引力波,见:干涉仪对孩子的事实或引力波解释使用简笔画。引力波的更深入的探索,看到这个入门书。更先进的关于广义相对论的书和引力波,明白了这本书或这一个。

3所示。↑我们知道,更重的元素可以是由较轻的元素通过核聚变的星星。但是,正如我们研究恒星的生命周期,我们看到最重的元素创建方法是铁原子序数(26)。恒星燃烧后和使用他们所有的铁,他们崩溃,不继续产生更重的元素。因此,应该有一个机制来创建更重的元素。目前,最普遍的假设是更重的元素创建在中子星的碰撞,是使用引力波探测(有关更多信息,请参见麻省理工学院的新闻文章)。我们希望,在下一年,足够的数据将被收集使用LIGO和处女座探测器来验证这个假设与更高的确定性。

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引用

[1]↑牛顿,1687年。“原理”原理:权威的翻译和向导,eds i b·科恩和a·怀特曼(加州大学出版社)。doi: 10.1525 / 9780520964815

[2]↑爱因斯坦,a . 1915。Erklarung der Perihelionbewegung der merkur来自der allgemeinen relativitatstheorie。Sitzungsber。就。Akad。威斯康星州。47:831-9。

[3]↑爱因斯坦,一个。,and Rosen, N. 1937. On gravitational waves.j·弗兰克。本月。223:43-54。doi: 10.1016 / s0016 - 0032 (37) 90583 - 0

[4]↑巴里斯,b . C。,and Weiss, R. 1999. LIGO and the detection of gravitational waves.理论物理。今天52:44-50。doi: 10.1063/1.882861

[5]↑雅培,b P。雅培,R。,Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K., et al. 2016. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger.理论物理。启。116:061102。doi: 10.1103 / PhysRevLett.116.061102

[6]↑雅培,b P。雅培,R。,Abbott, T. D., Abernathy, M. R., Acernese, F., Ackley, K., et al. 2017. GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral.理论物理。启。119:161101。doi: 10.1103 / PhysRevLett.119.161101

[7]↑雅培,R。,Abbott, T. D., Abraham, S., Acernese, F., Ackley, K., Adams, A., et al. 2021. Observation of gravitational waves from two neutron star–black hole coalescences.12,54。j。915:L5。2041 - 8213 . doi: 10.3847 / / ac082e