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摘要: 本文由公众号 “把科学带回家” 提供给孩子最好的科学教育音频在哪里?音频在这里。今天是王木头讲科学的第20期

试过在整个银河系找一只蚂蚁吗?有人成功了 | 王木头讲科学

本文由公众号 “把科学带回家” 提供
给孩子最好的科学教育



音频在哪里?音频在这里。


今天是王木头讲科学的第20期节目。



来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。




 ▼  用听的 ▼ 




 ▼  用看的 ▼ 


13.4亿年前,在距离地球非常非常遥远的地方发生了一件大事。这可以算是宇宙中毁天灭地的大灾难。不过它和地球上发生的任何灾难都不同,不像是小行星撞击一样,发生剧烈的爆炸,然后地震、海啸、火山喷发。宇宙中这场灾难发生的静悄悄的,假如你就在附近,甚至不会看到耀眼的光亮。

因为发生的事情是两个黑洞相撞了。它们非常地巨大,一个有36个太阳的质量,一个有29个太阳的质量。它们在宇宙中快速地相互旋转着,逐渐地靠近,就像是被吸进了下水道的漩涡里面。因为黑洞巨大的引力,会拖拽着周围的空间发生着变形和扭曲,随着它们的旋转就会释放出阵阵的引力波。



引力波向外扩散,以光速前进。因为引力波是空间本身的震荡,所以不会有任何东西阻拦到它。然后,就这样行驶了13.4亿年之后抵达了地球。13.4亿光年的距离,已经让引力波的能量衰减得非常严重,它穿过地球,穿过我们每一个人的时候,我们不会有任何感觉。

不过在地球上却有一群科学家一直期待着它到来。他们为此建立了庞大的设备,等待了很久,心中期盼着来吧来吧,任何一个引力波过来都可以。于是在2015年9月14日,屏幕上的图像跳动了,引力波被接收到了,那里的科学家简直不敢相信这一切,又经过反复地验证,最后在2016年2月14日发布消息,引力波第一次被人类确认存在,至此爱因斯坦所有广义相对论的预言都得到了验证。

发现它的是激光干涉引力波天文台,英文单词首字母缩写是LIGO。1992年开始筹划,1999年年底建成,中间十几年一直没有什么发现,直到2015年重新进行了升级,没几个月就发现了引力波。大家可以看一下下面这个图,这个设备非常巨大,就像是一个巨型的直角尺。两个垂直着的是激光的通道,有3000米长,从头跑到尾相当于跑操场10圈。



因为引力波是对空间本身的压缩,当它经过的时候就会把这个长的通道压缩得小那么一点点。科学家们就可以和另一个没有压缩的通道进行比较,看看短了多少然后确认是否有引力波。其中关键的问题是如何测量通道长度的变化呢?难道是用尺子量吗?用尺子是不行的,因为尺子本身也会随着空间的压缩而压缩,尺子和通道一起缩短,最后测出来就是没有变化。

所以才会用激光来测量,光速是不变的,不会随着空间的变化而变化。这也是为什么这个通道要这么长,一个原因是引力波已经非常弱了,通道就像是天线一样,越长信号越好;再一个就是毕竟是要用激光来测量的,光度太快,通道太短的话就太难被测量到了。其实实际上,是激光从两个通道交汇处发出,然后到达两端会被反射回来再次相交,只要在原地就可以互相验证得出是否距离缩短了。

通过这样的方法就可以测量到非常小的距离变化,小到多少呢?可以小到质子的千分之一。大家可能想不到这精确度有多高啊,我可以举一个比较形象的例子,如果把质子的千分之一放大到和蚂蚁一样大,你能想象到3000米的激光通道会被放大到多少吗?是和地球一样大吗?不是。是和太阳系一样大吗?也不是,而且还是远远不够的。答案是要比银河系的直径还要大。在银河系里面找一颗星球都非常的困难,而LIGO相当于可以观察到一只蚂蚁。

也正是因为精度要求这么高,所以在测量的时候周围是不能有其他干扰的,如果周围有汽车火车经过就会影响准确性。所以才会建立在无人的荒原上,而且还是一建就建了2个。这两个LIGO相距有3000多公里,大家可以看一下下面的图,几乎夸过了整个美国。这样,就可以互相验证。如果只有一个探测到了有波动,另一个没有,那么很可能就是受到了干扰,不过如果两个同时探测到了,那就不大可能是受到了干扰,而非常有可能是引力波了。



不知道大家在听历史或是看纪录片的时候有没有一种这样的感觉,在某某时期发生了一件事,代表了某个时代的到来。就比如18世纪瓦特改良了蒸汽机,代表着工业革命时代开启;19世纪末爱迪生发明电灯,代表着电气时代到来;20世纪40年代,第一个原子弹爆发,代表着人类进入了核能时代。总感觉生活在那个时代的人非常幸运,可以亲自见证某件改变世界的事情的发生,而自己生活的时代却平淡无奇。

可能你并不清楚,引力波的发现就是一件可以载入史册的大事件,而且很有可能它就是那个代表着一个新时代到来的大事件。原因我们上期也讲到过,因为引力波的发现代表着,人类终于有了一种超越电磁波的方式去观察宇宙,很多原来不可能被探知的秘密现在有了可能。

当然,如果想实现对宇宙更深入地了解,只靠LIGO是不够的。引力波在传播的过程中衰减的太快了,就像这一次探测到的引力波,即使是黑洞碰撞如此剧烈的宇宙现象,释放出的引力波到了地球也只能用这么精密的仪器才能探测到,可见这件事的难度。如果想要探测到更细微的引力波,只有两种方法,要么是精度更高,不是现在这样质子的千分之一,而是万分之一或是十万分之一;另一个方法,就是把激光的通道加长,每加长一倍就相当于把测量精度提高一倍。

去探测更小的距离变化是不太可能了,再小就是量子级别了,所以只能把激光通道增大。于是,科学家们就做出了一个新的计划,打算把引力波探测器放在太空中。这个引力波探测装置叫做演化激光干涉空间天线,英文单词缩写是eLISA。由它构成的激光通道可是相当长的。它是由3个相同的航天器构成,互相之间通过激光联系成一个等边三角形,一个边长就有5百万千米。

它们也不是像卫星一样绕着地球旋转,而是会跟在地球后面一起绕太阳旋转。大家可以看一下下面这个图,就是eLISA的想象图。如果不出意外,按照计划2034年它们就可以投入使用了。到时候就应该会有无数的新现象等着科学家们发现了。那个时候同学们也应该长大了,或许你们之中有人就是操作这个设备的科学家呢。




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