如何驗證廣義相對論？引力波天文台搜尋引力波

新浪科技訊 北京時間11月26日消息，據國外媒體報導，在義大利比薩附近，科學家將通過“先進處女座”引力波天文台實驗搜尋引力波，一旦首次直接觀測到引力波，將證明愛因斯坦的廣義相對論是完全正確的。

在義大利城郊距離比薩不遠的地方，馬上將上演一場大型實驗活動。如果實驗取得成功，科學家將能首次直接觀測引力波，並證實阿爾伯特-愛因斯坦的偉大預言。如果實驗失敗，那麼科學家將需要重新審視物理學定律。此次“先進處女座”引力波天文台實驗將搜尋宇宙中最難以捕捉的天體物理現象。作為“先進處女座”項目的國際研究小組成員之一，比薩大學科學家弗朗哥-弗拉斯科尼博士表示：“或許我們有機會在地球上首次探測到引力波，如果實驗成功，那將證明愛因斯坦一百年前的預言是完全正確的。”

1915年11月25日，阿爾伯特-愛因斯坦向普魯士科學院提交了場方程的最終版本，這些場方程支撐了他的廣義相對論。廣義相對論是現代物理學的支柱，完全改變了我們對空間、時間和引力的看法和理解。通過廣義相對論，人類已對宇宙空間有了深入了解，從宇宙擴張到行星運動以及黑洞存在等等。然而，愛因斯坦還提出了引力波的存在，其核心是扭曲時空結構的能量紋波，它類似於向池塘中扔石頭后水面蕩漾開的漣漪。任何有質量的物體只要運動，就會生引力波。人類更是如此。物體質量越大，運動越劇烈，生的引力波就越大。愛因斯坦預言，整個宇宙都沉浸於引力波中。

盡管天文學家能間接證明引力波的存在，但是直接觀測到這些宇宙奇觀目前還是一件不可能的事。倫敦帝國學院物理學家托比-威斯曼博士解釋：“目前我們還無法直接觀測到引力波，對於這一點我不覺得有什麼奇怪。事實上，引力是所有力中最微弱的一種，即使是巨大的天體物理源發出的引力波也極其微弱。”如今，科學家希望在義大利觀測到引力波，雖然道路艱辛。“先進處女座”實驗項目的前身可追溯到2007年，那次實驗未有任何發現。同樣，美國的激光干涉引力波天文台也未觀測到任何引力波。

最近，兩個引力波天文台的干涉儀都進行了價格高昂的升級，研究小組希望儀器靈敏度的重大改進能夠助他們一臂之力。弗拉斯科尼博士解釋：“這種可以探測引力波的科技手段也是最新研發出來的。在過去的10年中，我們進行了大量複雜的科學研究，如今才打造出這種干涉儀。”科學家希望觀測到來自諸如恆星爆炸或黑洞碰撞等劇烈宇宙事件發射的引力波，以及引力波經過地球時生的微小變形。“先進處女座”引力波天文台由兩根相同的3公里長管道組成，兩根管道按L形鋪就。在天文台中發射一束激光，之后激光一分為二，分別順兩根管道發射出去，在碰到管道末端的鏡面后再反射回來，如此反復多次反射后重新結合。整個過程顯得有點複雜，它利用了激光的一個屬性，即激光是一束密集的光，而光又是一種波。想像一下，當海洋中的兩個波相互碰撞，一個處於頂部，一個處於底部，這兩個波就會相互抵消。實驗中也會發生同樣情況。如果這兩個光波沿管道運行的距離相同，那麼它們就會相互抵消，不會生信號。然而，如果一個引力波穿過管道，它會令周邊發生細微的變形，微量改變管道的長度，量級僅相當於原子直徑的一小段。波在時空中運動的方式意味，一根管道會被拉伸，而另一根會被壓縮，結果導致一束激光運行的距離略長，而另一束激光運行的距離略短。最后的結果是，當一分為二的光束會以一種不同的方式再次結合：光波會相互干涉，而不是相互抵消，這樣一來科學家就可以探測到信號。

為了成功進行實驗，科學家做了大量工作以確保實驗不受地球上各種聲音干擾，從交通噪音到地震。弗拉斯科尼博士表示：“試想打造一個不受任何可能噪音影響的機器有多麼艱難。這個引力波天文台是直接固定在地面上的，而地面是會發生震顫的。科學家面臨的最大挑戰就是如何保持鏡面不受絲毫影響，為此耗費相當長時間研發多級鐘擺將鏡面從地震噪音中隔開來。然而，僅義大利一個信號還是不夠。如果“先進處女座”觀測到引力波，那麼美國先進的激光干涉引力波天文台也應該觀測到這個信號。如此一來，德國引力波觀測實驗或許也能觀測到這個信號。

目前，先進的激光干涉引力波天文台已搭建起來並正常運作，科學家希望“先進處女座”引力波天文台能於今年底准備就緒。研究項目合作小組對於實驗成功信心百倍，他們預言2017年1月1日將是取得破冰進展的一個日子。弗拉斯科尼博士也表示很有信心並稱：“目前，最為關鍵的就是首次在地球上探測到引力波，否則我們將無法對宇宙的剩餘部分有正確了解。”科學家指出，如果未探測到引力波，明實驗還需重新進行設計。最極端的情況是，物理學家或許應該重新思考宇宙的運作模式。然而，一旦直接觀測到引力波，就將意味打開人類了解宇宙的新窗口。倫敦帝國學院物理學家托比-威斯曼博士解釋：“觀測到引力波將確證我們對廣義相對論的理解。我們有理由相信，宇宙中存在引力波，但是只有在時空中直接觀測到這些能量紋波時，才能確信我們理解了廣義相對論。引力波的觀測不但有助於我們通過新方法驗證廣義相對論，還為我們提供了新的手段，以對宇宙中其它奇妙物體進行觀測。”(彬彬)