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[转帖]中国与引力波探测擦肩而过

(2016-02-28 19:25:44)
分类: 转帖

中国与引力波探测擦肩而过

                   

胡森   

 

   摘要:本文简介引力波探测的历史性工作和中国科学家中科大校友陈应天教授的贡献。引力波的探测成功表明,由优秀人才主导的先导性实验非常关键。

 

   最近,由美国麻省理工学院和加州理工学院领头的引力波探测团队宣布,引力波实验装置LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, http://en.wikipedia.org/wiki/LIGO) 成功地探测到了引力波。  引力波的探测成功堪比伽里略的斜塔实验,以后从引力波就可以直接得到深层宇宙的信息。               

   爱因斯坦相对论有狭义相对论与广义相对论。狭义相对论用不变的光速把时空统一起来。我们在宇宙学里讲的距离,通常讲多少光年,就是按光速走了多长时间。现在我们能接收到宇宙最远的信息是一百三十亿光年左右,通常以此为宇宙半径。这里我们假定宇宙是闵氏时空,仍然是平坦的。

爱因斯坦的主要贡献是广义相对论,时空可以是弯曲的。一些极大质量星体的运动,可以造成时空的弯曲。弯曲时空的变化是闵氏时空的一个修正,这个修正项就是引力波。这就像在平静的海面上扔下一块石头,引起平静海面的漪涟。在广义相对论的框架下可以计算这个效应,是非常的小。对于千万光年左右的两个黑洞合并,要测量在地球上的效应,实验的相对精度是十的负二十一次方,相当于一个质子的半径和地球与太阳的距离之比,因此探测起来极其困难。                       

    LIGO实验装置的核心是稳定的激光在两个四公里L型的真空中跑动并干涉。微弱的引力波信号,会对激光的干涉有一点扰动,由此探测到引力波。美国在两个地方建设了相同的实验装置,以便于相互印证。这次LIGO的运气极其的好,设备刚调好两天,就探测到远处两个黑洞合并一起引起的引力波,这样的事件每年可能有几次。这次人们通过引力波也直接观测了两个黑洞合并的过程(Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger,B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration,Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016))。引力波探测经过几十年的努力终于成功,的确令人惊叹。                                  

   中科大校友陈应天教授是引力波探测的权威。早在上世纪八十年代中期他就参加了加州理工学院数学与物理系以Drever为首的引力波实验小组,当时才5、6个人。他们最早开始了40米长的干涉仪试验,经过了无数次的摸索,最终提出了同麻省理工学院合作的4公里长的扩大型试验的方案,并在可行性方案选址、设计、选材、噪音控制等具体方面做了大量的工作。这些前期原始工作为后来LIGO实验的定型奠定了基础。陈应天教授后来又以剑桥大学研究员名义参加了用法国联合研制的GEO600引力波探测仪的研发工作,在巴黎第十一大学专门对于引力波的噪音问题进行了深入的探讨。GEO600引力波探测仪是欧洲探测引力波的主要平台。九十年代初,他同日本东京大学的Kawashima教授合作,在马来西亚最南端的赤道地区组织建造了长度为100米的引力波激光干涉仪。陈应天教授在他的专著《相对论时空》(上海科技教育出版社,2008)中系统地介绍了相对论和引力波探测的工作。

    陈教授十年前回到国内,推动在中国做引力波探测的实验,没有得到支持。中国与引力波探测擦肩而过,令人感叹。现在国内引力波探测的天琴计划负责人罗俊院士,是陈应天教授在华中科大带的学生。不过,中国目前缺乏正规引力波试验的人才和经验,千万不要一哄而上,大量投资,而应当同美、欧、日一样,先使用少量的优秀人才和少量的投资进行先行试验,特别是注重对噪音的研究,成功了才能够扩大,不要一口吃成胖子。引力波探测是人类有史以来实验精度最高,极其严肃的科学工作。对于日前出现的诺贝尔哥现象,李尚志教授(中国科学技术大学数学系前主任,北京航空航天大学理学院前院长,中国首批博士)指出:“应当让公众了解一下真相,不要跟着一些科盲起哄。要为中国人骄傲,也应该为陈应天骄傲。诺贝尔哥则是一位科盲,原因是:1。科研成果找媒体鉴定,这是对科学标准一无所知。2。要求别人道歉,以为别人道歉,就可以拿诺贝尔奖。” 

                  

   (作者是中国科学技术大学教授,中国科学院吴文俊数学重点实验室负责人。本文基于在吴康副教授的《数学教育教学研究》群中对引力波的介绍,由吴新华老师,孙志跃老师,王方汉老师帮助整理。作者对他们和李尚志教授,王涛教授,张文俊教授和郭慧清老师的指正,特别对陈应天教授多年来的交流与指正一并致谢。)

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