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用引力波探听宇宙的起源,在世界屋脊倾听宇宙的初啼

时间:2020-03-17 10:52:02 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读

宇宙的诞生一直吸引着人类探索的注意力。引力波的发现最终完成了广义相对论的绘制。与此同时,科学家从未停止他们的脚步。他们爬上了世界的屋顶,用引力波探索宇宙的起源,聆听宇宙的第一声呐喊。

产品:“‘自我对话论坛’”公开号码(标识:自我对话)

以下是中国科学院高能物理研究所李虹的讲话全文:

大家下午好!我是李虹,来自中国科学院高级物理研究所。今天,我很荣幸在SELF论坛上与大家分享我在宇宙学和初级引力波探测方面的研究和经验。我今天给自己的任务是用最实际的语言给你发送你想要的最好的信息。我今天演讲的主题是“站在世界的屋顶上聆听宇宙的第一声呐喊”我个人非常喜欢这个话题,因为它告诉我们,我们正在探索的神秘信号来自宇宙。这个信号是在宇宙诞生的时候发出的。这是一件非常酷的事情。

什么是第一次哭泣?顾名思义,孩子一出生就哭。在门外焦急等待的父亲听到哭声,知道孩子出生了。宇宙也是如此。一旦我们听到宇宙的第一声呐喊和宇宙的第一个声音,我们就会知道宇宙诞生时的秘密。

我们的宇宙已经有138亿年了。138亿年前,一个声音出现了。对我们来说,今天找到它一定是一件非常具有挑战性的事情。俗话说,“站得高,看得远。”同样,如果我们站得高,我们可以听到更远的声音,所以我们必须爬到世界的屋顶去聆听来自浩瀚宇宙中最遥远和神秘的声音。

宇宙的第一声呐喊是什么?我们怎么能窥探呢?这是我们今天要讨论的关键点——探索初级引力波。低于

,让我们一起开始探索原始引力波。顾名思义,原始引力波是一种引力波,所以首先我们需要了解引力波是什么。我们都知道重力是自然界中一种基本的相互作用力。牛顿力学告诉我们,地球围绕太阳旋转,因为地球受到太阳引力的影响。但是我们知道牛顿力学不是描述宇宙的终极理论。

100年前,爱因斯坦的广义相对论是一个更基本的理论。广义相对论中没有绝对引力。为什么地球绕着太阳转?因为相对于地球来说,太阳是一个巨大的天体。由于这个巨大天体的存在,我们的宇宙和时空已经弯曲。在如此弯曲的时空中,地球已经走上了最经济的道路。沿着横向地面线移动形成了引力系统,我们看到地球围绕太阳旋转。引力波源于重力相互作用。引力波

到底是什么?如果宇宙中存在一些引力扰动,比如两个大质量天体、两个黑洞或两个中子星绕着彼此旋转,并且旋转得越来越快,它们最终会合并。在这个过程中,大质量的天体会造成时空扭曲。当它们加速运动时,扭曲的空间和时间将以波动的形式向外传播。



这个动态图告诉我们,扭曲的时空以波的形式向外传输,以波的形式向外抛出的能量产生引力波。当爱因斯坦提出广义相对论时,他给出了一个理论预测:引力波是存在的但是根据这个理论,它非常小,所以爱因斯坦自己认为我们可能无法探测到它。

在过去的100年里,人类科学探索的步伐从未停止过。许多预测已经被证实,例如光的弯曲、水星近日点的进动、引力红移等。可以说,广义相对论已经得到了充分的验证,但是引力波仍然在科学家的视野之外。

虽然从20世纪50年代末开始,人们就试图用工具来探索引力波,但并不成功。直到2016年初,美国的LIGO团队宣布他们已经探测到了两个黑洞合并产生的引力波,这震动了世界,因为广义相对论的最后一块拼图终于拼在一起了。



LIGO如何探测引力波?首先,我们需要找出当引力波到达时,我们的时空和时空中的物质会发生什么变化。请看看这张电影。当引力波穿过时空时,时空会如何变化?它会向一个方向伸展,向另一个方向压缩

我们知道宇宙中的所有物质都与空间和时间相关。当空间被压缩和拉伸时,物体也会相应地变形。因此,形象地说,如果引力波向你靠近,你变得更瘦更高就不再是梦了。但是之后你会变得越来越矮越来越胖。

LIGO利用这种效应来探测引力波。LIGO使用了两根4公里长的垂直悬臂。在悬臂的中间是两个被光束分离器分开的激光束。他们处于干扰状态。如果没有引力波,激光束总是会在悬臂的镜子里反射。接触面板不会接收任何信号。然而,当引力波到来时,引力波会在一个悬臂中伸展,在另一个悬臂中压缩。悬臂中的激光束会相应地改变。最初,两个干扰和破坏性的激光将不再干扰和破坏。我们探测到引力波的信号


在视频中,我们以两颗中子星的合并为例向您展示两颗中子星正在轨道上运行,释放出引力波。这些网格生动地描述了空间和时间的结构。引力波出来后,你会看到它们转得越来越快。最后,它们合并,引力波被抛出。

这是LIGO的两个垂直悬臂。悬臂中间有两个激光束。由于激光束的干扰消除,右侧面板上看不到信号。一旦引力波出现,面板上将会有一个信号,激光干扰不会抵消,所以我们将检测到它。

根据LIGO探测到的信号,我们的地球有多少变形?质子直径的1/10000这就是为什么人类探索了60年才能够发现它。它太小了LIGO因这一重要的科学发现获得了2017年诺贝尔物理学奖,全世界为此欢呼雀跃。

,但我们需要了解它包含的含义。为什么LIGO探测引力波如此重要?原因是人类已经掌握了一种全新的理解宇宙的方法。在

掌握了电磁波技术之后,人类已经将望远镜从光学波段扩展到红外、紫外和射电X射线伽马射线波段。我们可以在电磁波的所有波段探测到我们的宇宙。对电磁波的掌握就像一双眼睛的诞生。我们开始看到宇宙,并且看得越来越清楚。

引力波技术的发现是一种完全独立于电磁波的新型技术。似乎人类已经生下了一对耳朵。我们已经有眼睛,并能再生两只耳朵。我们可以从宇宙深处听到更多的信号,更好地探索我们的世界。

由于人们已经探索了引力波并听到了第一串声音,人们想知道他们如何能听到更远的声音以及最远的声音会是什么样子。最远的声音来自哪里?当宇宙诞生的时候,在膨胀的过程中,会发出引力波,我们称之为原始引力波。这种热爆炸理论起源于当代宇宙学。人们认为宇宙起源于非常小的体积。通货膨胀的过程是一个时空急剧增长的过程,在图的左侧用黄色区域标出。


在膨胀过程中,时空会产生扰动,而时空本身的波动会产生引力波。这是我们想要探索的宇宙的最初呼声,也就是初级引力波。从视觉上讲,原始引力波是宇宙诞生时的突然呼喊。这声音已经消失了。就像人们在山中的声音和山谷中的回声一样,宇宙的第一声呐喊也将形成背景声音。它一直存在于我们的宇宙中。随着宇宙的进化,它被红移,变弱,但它一直存在。

一旦我们探索了初级引力波,我们就可以逆转宇宙诞生时的动力学,并且我们可以研究宇宙的起源。从

到今天,宇宙的初始信号变得非常微弱。用LIGO悬臂法探测它是远远不够的,因为我们的宇宙已经进化了138亿年。今天,信号很弱。如果我们用悬臂法再次探测它,悬臂可能会增长到宇宙的大小。

所以我们需要一种全新的探测方法,我们需要在宇宙中找到一种古老的化石,这种古老的化石在太空中有着特殊的分布,这种分布可能是由原始引力波引起的因此,如果我们精确地测量化石在宇宙中的分布,我们就能找到原始引力波的线索。这个神秘的化石


是什么?它是宇宙微波背景辐射光子,我们称之为CMB光子什么是招商银行?它是如何形成的?为什么它是宇宙遗留下来的神秘化石?


这从宇宙的热力学历史开始。这张图描述了宇宙的演变,是一个从小到大的过程。早期宇宙非常热。它不像我们今天看到的那样有序,因为我们现在看到的宇宙已经处于冷却状态。早期的宇宙就像一壶开水,宇宙的进化是这壶开水逐渐冷却的过程。这壶开水很神奇。当宇宙的温度或能量在不同时期不同时,它的组成也不同。宇宙有一个特殊的时刻,也就是说,当宇宙38岁时,它将迎来一个重组时期,也就是在地图上用红线标出的时期。

在复合期到来之前,宇宙中的主要成分是光子、电子、质子和中子。这些组件经常分散在一起,并且紧密地耦合在一起。电子和光子每天都是密不可分的。但是随着重组期的到来,这意味着宇宙在那时将开始形成中性原子。每个人都学过物理学,并且知道在原子的中央有一个原子核。原子核由中子和质子组成,围绕它旋转的电子在原子核外。

中性核的形成导致电子被中性原子束缚。光子和电子是密不可分的好朋友,但是电子突然消失了。它们被中性原子捕获,光子失去了它们的好朋友。它们没有碰撞对象或耦合对象。因此,它们一直独自生活在宇宙中,自由地通过,形成了我们今天想要的神秘化石。

,也就是说,宇宙在重组和38岁时会给我们留下这样一个余热辐射。我们只想观察这种热辐射,这样我们就可以回到电子和光子最后一次散射的时间。


我们用白色圆圈表示宇宙中光子和电子最后一次散射的时刻。我们称之为自由散射面。


在最终的散射面上,我们以电子为中心来看,如果宇宙中没有初级引力波,所有的引力波都是均匀的,那么电子周围的四个方向可以用四个黄色的圆来描述,并且在四个黄色的圆中分布的光子是完全相同的


但是我们知道有原始引力波。原始引力波的存在将在时空中形成引力势阱,改变时空结构,使光子在一定方向上分布更加均匀。我们用红色表示这个地方的温度较高。在垂直方向上,颜色会变成蓝色,也就是说,温度较低。


在光子的这种特殊分布中,电子和光子有一个散射,它会在CMB光子上留下一个标记,CMB光子是我们正在寻找的化石,在我们的化石上有一个特殊的标记,我们寻找这个标记,我们可以找到原始的引力波现在我们要开始寻找这块化石了。首先,我们需要知道这块化石的样子。多少人?检测怎么样?在图片中,我们用红色箭头来描述我们周围这块化石的分布。


我们可以看到,我们的地球几乎生活在CMB的光子海洋中。每个人都会觉得好像有很多,达到每立方厘米400-500,确实很多但是这个光子并不像想象的那样容易捕捉,因为它非常冷。当

解耦时,其能量仅为1eV(电子伏特)。今天,这个光子的平均温度是2.73千度(开尔文),或者零下270度,这是一个非常冷的光子。当我们探测到它的热辐射时,我们应该观察到它的辐射强度,大约是地球上每平方米3.3微瓦。


对于正常人来说,我们的体温是37度,我们的身体不断向外辐射热量,辐射强度是每平方米500瓦,与3.3微瓦相比,你会发现这块化石的辐射强度只有人体辐射强度的一亿倍,非常微弱,很难探测到

所以我们需要一个非常灵敏的探测器。它有多敏感?让我给你举个例子。我们想要探测的化石是热辐射。我们都知道火会不断发出热辐射。如果发生火灾,捂住眼睛,你的手是一个非常敏感的探测器。你可以知道火在哪里,只要你伸出手就能发现它。

但是如果你用你的手再次感知你的体温,例如,当某人发烧时,用你的手测量体温是不够的,这时我们需要用温度计来测量体温的波动。因此,我们需要超灵敏探测器来探测零下270度的微弱热辐射。幸运的是,通过对超导材料的研究,我们已经掌握了一种超导边缘相变探测器,我们称之为TES探测器这种探测器非常灵敏,它可以探测到毫开尔文量级甚至更低的温度波动,所以我们把它放在望远镜里做成一个微波望远镜,我们可以用它来测量这种剩余辐射,这就是我们所说的CMB光子。


(数据来自约翰·霍普金斯大学的克雷格列表学校)


我们的项目团队被称为阿里初级引力波探测计划。准确地说是在阿里地区放置一个灵敏的望远镜来探测初级引力波运动图像是我们望远镜的工作过程,就像电视调频一样。经过一系列的搜索,它最终将集中在微波波段。它眼中看到的是中巴波段的信号。然后它将扫描并测量这块化石在太空中的分布。我们将在这张分布图上寻找原始引力波的痕迹。

现有地面初级引力波探测基本上分布在南半球,有几个在智利的阿塔卡马沙漠和美国南极我们的阿里计划是北半球第一次地面初级引力波探测实验,也是中国第一次地面初级引力波探测实验。我们的目标是实现北半球天空的首次扫描,并给出最精确的测量。

在地球上进行这种初级引力波探测会受到地球附近大气的影响,因此其对场地条件的要求非常严格。我们需要场地足够高,大气足够薄,大气足够干燥,这样它在微波波段的透射率就非常强,这样信号就可以投射,同时空气产生的噪音也应该足够小。因此,我们必须飞得更高。西藏阿里地区位于喜马拉雅山脉,大气非常干燥,这为我们提供了一个极好的观测条件。因此,在我们能探测到原始引力波之前,我们必须爬到世界的顶端。


这是我们整个计划的科学目标。到2018年底,海拔5250米的观测舱将完工。到2020年底,我们的望远镜将被开发出来,对天空的第一次观测将开始。


是实验的早期预测。我们希望通过我们的观察,现有的检测精度可以提高10倍左右。为了实现这个目标,我和我的研究小组的所有成员都付出了很大的努力,从早期阶段的选址到中后期阶段实验仪器的放置等等,每一项工作仍然记忆犹新。


我们曾经爬上一座海拔近6000米的山,那里终年积雪不会融化。我们经常穿梭在无人地带,在寻找地点时爬到一个很高的地方。许多同事需要吃雪来解渴。虽然很难,但我们也看到了喜马拉雅山最危险最陡峭的风景,所以我们觉得所有的努力都是值得的。

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