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“女士們先生們,我們發現了重力波。我們做到了!”

2016年2月11日,雷射干涉重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)大衛.萊茲(David Reitze)在華盛頓舉行的記者會上終於自豪的說出了這句話,這或許標誌著物理學一個新的時代的到來。

從2015年9月起,一個未經證實的訊息開始在物理學界流傳開來。據說經過了幾年升級改建的先進雷射干涉重力波天文臺(advanced LIGO)在重新開始工作之後的一個星期內就探測到了重力波的訊號。此前這個傳言一直沒有得到官方的證實或否認——這個態度被很多人認為算是一種預設。如今,傳言終於得到了證實,升級之後aLIGO的兩個探測器探測到了距離地球13億光年之外的兩個黑洞在合併過程中放射出的重力波,這是在愛因斯坦發表了廣義相對論一百年之後,人類第一次發現重力波存在的直接證據,這個發現將以一系列論文的形式發表在《物理評論快報》(PRL)雜誌和《天文期刊》(The Astrophysical Journal)上。


看到這邊,若對科學毫不敢興趣的人,已經準備關掉網頁,繼續遊蕩於浩瀚的網路世界之中了吧!你的心聲就是蛋編的心聲,我們先來用簡單白話方式說說:

什麼是重力波?

重力波其實沒什麼,就是一陣能量,宇宙是一片海洋,無論在哪發生點什麼事,都會一波一波傳出去,比如這次的重力波,就是在遙遠的天邊,兩個胖子星球合體,”咣”一聲撞出來的能量,散發到宇宙中。

這股能量跑了好多億光年,終於來到了地球,經過了地球和你,於是你的時間和空間發生畸變抖動..你會跟著忽胖忽瘦,忽快忽慢


想想一個果凍,放在桌上,然後在旁邊猛拍桌子,你就是這個果凍。

當然了,這個效應太弱,你是感受不到的。而這個令宇宙學家興奮的消息就是:成功製造儀器,並偵測到這個現象了!


讓我接著繼續看這則報導:

幾千年來人類觀察宇宙的方式大多都只是仰望星空,直到幾百年前人們才能通過望遠鏡進行觀察,影像固然更加清晰,但所看到的仍然只限於可見光的頻率範圍之內。直到二十世紀,人類理解了電磁學,才能從紅外線到伽馬射線,在更廣闊的頻率範圍內觀測宇宙。想要看清宇宙的面貌,僅僅通過電磁波還遠遠不夠,微中子為宇宙學家們打開了又一扇門,通過藏在地下的一個個微中子天文臺,人類才多了一個觀測宇宙的手段,但是這種方式的侷限性仍然非常明顯。因此,如果能夠在地球上觀測到重力波,人類將會增加一個非常獨特而靈敏的宇宙學觀測方式。



引力是自然界中最為微弱的相互作用,廣義相對論所描述的正是引力作用。根據廣義相對論的預測,當質量進行加速運動時,會對於時空產生干擾,進而使時空產生出以光速行進的重力波。因為引力作用太過微弱,想要探測到這種時空的痕跡,就需要非常敏感的實驗裝置。

在美國華盛頓州和路易斯安那州建造的隸屬於美國國家自然基金(National Science Foundation)的兩個相似的雷射干涉重力波天文臺,每一個天文臺都有兩個長達4公里的相互垂直的長臂,雷射在真空的管道中沿著兩條長臂來回反射,並且發生干涉。現在有超過900名科學家在這裡工作,人們有一個共同的目標,就是通過雷射的干涉現象尋找重力波。根據理論預測,一旦有重力波經過,將會使空間發生拉伸和壓縮,兩個長臂中的雷射的干涉現象就將發生變化。但是從2002年至2010年九年的時間裡,這兩個高精度重力波探測器沒有任何收穫。這些年的一無所獲與周圍環境對儀器的干擾有關,因為儀器的過分敏感,華盛頓州的探測器經常會受到大風的干擾,而路易斯安那州的探測器則經常會受到經過的火車和周圍倒下的樹木所產生的震動帶來的干擾。


在經過了5年時間,花費了2億英鎊之後,雷射干涉重力波天文臺完成了升級。在2015年9月18日重新開始工作的先進雷射干涉重力波天文臺比之前的精度可以高出三倍,雷射器的功率增提高了十倍,抗干擾的能力也大幅增強,無論是樹木,火車,還是地震波都無法影響到儀器的探測。進行了全面的升級之後,先進雷射干涉重力波天文臺的靈敏度會隨著偵錯逐漸上升,將在未來三年左右的時間裡達到頂峰,也就是說探測到重力波的可能性會逐漸增加。

雷射干涉重力波天文臺

升級後重新開始工作的aLIGO取得收穫的速度比此前人們最樂觀的預計還要快。2015年9月14日早上,德國馬克思普朗克研究所的物理學家們就發現了在aLIGO兩個探測器上幾乎同時探測到了一個類似於鳥鳴的頻率逐漸升高的訊號,訊號從35赫茲的頻率迅速升高到250赫茲,然後變得混亂,整個過程持續了四分之一秒的時間,兩個探測器的探測時間相差7微秒。這個訊號因為太過清晰,以至於首先發現它的科學家甚至不敢相信這是一個真正的探測訊號,寧願相信這是一個人為的用於測驗儀器的訊號。而另外兩個位於義大利和德國的重力波探測器在當時並沒有執行,所以無法對這個訊號進行確認。


最終證實這個訊號來自於兩個黑洞合併過程中發射出的重力波。根據計算,這兩個此前相互旋轉的黑洞分別具有相當於29個太陽和36個太陽的質量,它們在長久的相互環繞之後,最終無可避免的合併成為一個相當於62個太陽質量的黑洞。兩個以光速的一半的速度環繞執行的黑洞最終合併,必將釋放出巨大的能量,因此LIGO的創始人之一,理論物理學家基普.索恩(Kip Thorne)才評論道,“這是人類觀測到的除了宇宙大爆炸之外最為劇烈的爆炸。”

從左到右分別為科學家Gabriela Gonzalez, Rainer Weiss和Kip Thorne

aLIGO所探測到是兩個黑洞合併過程剛開始時所釋放的重力波,科學家們計算,在合併過程的一開始就有相當於3個太陽質量的能量被以重力波的形式釋放出來,經過了13億年之後終於傳播到地球。這個直接觀測證據是對於廣義相對論的最終證實(雖然實際上廣義相對論的作者愛因斯坦並不相信黑洞的存在),這也是科學家們第一次真正觀測到黑洞的合併過程。

雖然人類之前就從一個旋轉週期逐漸縮小的脈衝雙星系統發現了重力波存在的間接證據——那個雙星系統的行為與廣義相對論的預測完全一致,但直接發現重力波的意義與之完全不同。人類將會有一個更為靈敏的宇宙學探測手段,天文學也可能會出現一個新的分支——重力波天文學。在理論上,通過重力波進行天文學探測,人類將可以瞭解恆星坍塌的具體過程,恆星內部質量的移動和改變過程都會通過重力波傳播到地球。物理學家們想象著在未來,重力波探測成為家常便飯,每年都可以探測到十次左右的中子星碰撞。歐洲航空安全局(European Space Agency )計劃在2034年開始一個太空重力波探測項目,在未來的幾十年裡,或許人類將會迎來在各個頻率範圍內重力波探測的爆發。


蛋編知道這類科普文章,實在是挺艱澀難懂的,於是幫大家準備了三分鐘懶人包:


發現之後當然就準備論功行賞了,回到報導原文:

對於重力波存在的間接證明已經為兩位物理學家贏得了1993年的諾貝爾物理獎,而這次對於重力波的直接觀測,是否會贏得一個新的諾貝爾物理獎?在LIGO工作的一些科學家已經開始談論誰應該去領獎了(每一屆諾貝爾物理獎最多可以授予三位科學家),但無論是誰最終獲獎,最值得被銘記的都是LIGO探測器和人類尋找重力波的故事。

經過多年的失敗之後,對於重力波的直接觀測必將開啟宇宙學研究的新局面——人類將理解在我們的周圍環繞著多少黑洞和中子星,更詳細瞭解超新星的爆發過程。重力波探測也將詳細的解釋宇宙中各種強度,或長或短的伽瑪射線爆發。另外,因為重力波無法被物質吸收或反射,理論上一種極其特殊的來自於宇宙創生時代的重力波可能告訴人類在宇宙誕生之初的祕密。儘管大多數宇宙學家們都已經接受了宇宙暴漲的假說,但人們仍然需要找到原初重力波存在的切實證據,完成宇宙創生故事的最後一環。

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數位口碑經濟時代:從大數據到大分析的時代,我們如何經營數位足跡,累積未來優勢

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過去──傳統的個人風評,搬家就可以重新做人。
現在──數位足跡,會一步不漏,刻在大數據裡!
未來──大家不用認得你本人,卻能對你瞭若指掌!

網路上,你值多少錢?
你在網路上的每個行為都會被評分,影響層面涉及:
求職、教育、交友、愛情、消費、信貸、生活……

當所有行業都用大數據來做大分析,
你的數位足跡將決定你的社會階級!

在網路上,每一件事都會被記錄與分析的世界裡,
所有「決策幾乎都是機器做的」,
這是未來,甚至已是現在的大趨勢,
而幫助機器做決策的數據就是,對你的一舉一動和任何事進行評分,
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<視界奇觀>編譯整理 資料來源:《三聯生活週刊》、混子曰

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