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LIGO/T. Pyle
2016 年一直是一個艱難的年。但在 2016 年中科學(xué)仍然是一個樂觀主義的來源。
為了解決一個科學(xué)的問題，你必須相信它是可解的。這使得科學(xué)發(fā)現(xiàn)天生樂觀的。發(fā)現(xiàn)幫助我們理解我們的世界------它的這個傷痕累累的、不完美的美麗的糟亂------只是稍微更好一點。科學(xué)中最大的突破，這不是環(huán)繞經(jīng)常的，也打開有待回答的新問題的大門。
今年，我們有這樣一個的突破。
科學(xué)期刊今天寫道"引力波的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)改變了科學(xué)景觀"，宣稱它們是"年度突破"。今年2月，然后再在今年6月，物理學(xué)家宣布了他們聽到了的這個空時中的一個紋波的微妙隆隆聲，兩個黑洞彼此碰撞進(jìn)另一個的結(jié)果。這些觀察證實了"引力波"的存在，這阿爾伯特·愛因斯坦100 多年前就預(yù)測到了但直到今年從未實際記錄到過。這個波被兩個巨大的科學(xué)實驗撿起------一個在路易斯安那州和一個在華盛頓州------被稱為 LIGO或激光干涉引力波天文臺。
這個發(fā)現(xiàn)是巨大的，不只是因為它回答了一個100歲的問題。它是巨大的因為它推出了一個全新的科學(xué)分支。
現(xiàn)在，我們的望遠(yuǎn)鏡只能看到發(fā)射電磁輻射的天體------可見光、x 射線、γ射線等等。但一些天體，如碰撞的黑洞或大爆炸的冒煙的槍，不會發(fā)射任何電磁輻射。相反，它們發(fā)射引力。這就是為什么有引力波天文學(xué)宇宙中的不可見天體可能很快會成為可見的的。
LIGO的嘉獎一直是豐富的︰ 幾天前，自然雜志命名了這個項目的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)人之一伽布列拉岡薩雷斯為它的10 名2016 年"年度重要人物"之一。物理世界雜志命名LIGO為今年的一個突破，外交政策雜志把LIGO 的科學(xué)家放在全球思想家的年終表中。（這個努力沒有獲得今年的諾貝爾獎，但在未來有一個好機會的）。
LIGO 和引力波表明科學(xué)的進(jìn)步仍在一個破碎的世界中有動量的。科學(xué)雜志以這種方式總結(jié)了這個發(fā)現(xiàn)的重要性"一個新的科學(xué)的召喚"。
為什么引力波重要的
正如聲波干擾空氣弄出聲響一樣，引力波好像它存在在一個哈哈鏡中一樣干擾空時的織造來推拉物質(zhì)。如果一個引力波通過你，你會看到你的一個手臂比另一個變的更長。如果你在每個手腕上戴了一塊手表，你會看到它們不同步滴答的。
由兩個此環(huán)繞運行的中子星產(chǎn)生的的引力波的二維表示。Wikimedia
引力波被任何質(zhì)量的運動產(chǎn)生。一位密爾沃基的威斯康星大學(xué)的物理學(xué)家莎拉·考迪爾在6月告訴我，"例如，如果我真的瘋狂的揮動我的雙臂，我會產(chǎn)生引力波"。
但還沒有辦法來檢測那樣微弱的引力波?，F(xiàn)在，我們的傳感器需要一個真的，真的很大聲的聲源------像兩個黑洞碰撞一樣。
LIGO 實驗室的理事長戴夫雷茲說，"就在現(xiàn)在我正沐浴在引力波中，你正沐浴在引力波中，為什么我們的干涉儀 [即探測器] 不能感覺到它的原因是因為這些波的振幅------它們正在創(chuàng)建的信號的大小------是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我們的探測器能夠檢測到的的"。
兩個黑洞碰撞釋放一個大聲的引力的雷霆一擊。但在它們14 億年以后到達(dá)地球的時候，它們已經(jīng)成為非常微弱的（像池塘的漣漪怎樣隨更遠(yuǎn)離一個丟棄的石頭變的不那么瘋狂一樣）。
(科學(xué)家使用聲音的隱喻，因為引力波的頻率是比較到我們聽的聲波的頻率的。)
一個聽到的LIGO波 （約去年圣誕節(jié)）是約 0.7 阿托米（attometers）高的。一個阿托米是10 ^-18 米。這比一個原子小得多。以下的 GIF顯示始于一個原子寬度然后放大到 10 ^-18米的。我們能夠聽到某些那樣小的東西是令人驚異的。
GIF
LIGO
LIGO，由國家自然科學(xué)基金資助，在路易斯安那州和華盛頓州操作兩個巨大的實驗。兩者都是巨型的L形管。每個管臂長度是 2.5 英里。
在實驗中，一個激光束在兩個臂之間被平分。在每個臂的末端是一面鏡子，它把這個激光反映回這個起始點。LIGO正在尋找的是引力波正在足夠扭曲空時一個臂之一使它變得暫時比另一只臂更長的證據(jù)。
所有這一切花了幾十年的工作︰ LIGO的測試?yán)碚?/b>是在20 世紀(jì)初發(fā)展起來的、 LIGO 項目始于上世紀(jì) 80 年代，它第一次于2002年開機，并花了一個國際努力來聽并確認(rèn)這些今年通過的波的來到的?，F(xiàn)在它正在有一個重要的時刻，但它要顯示有深根的大突破，科學(xué)最終是一個協(xié)作的、數(shù)代人的努力。
我們能從引力波天文學(xué)學(xué)到其他什么很酷的東西呢？
現(xiàn)在，LIGO不能指向天空中一個區(qū)域來尋找引力波的。相反，它只是在聽在任何特定時刻穿過地球的引力波。它目前的不做一個指出這些波正從哪里來的偉大的工作。
幸運的是，在未來的幾十年中世界上將有多達(dá)五個的探測器在線（以及一些基于空間的探測器）。下一步在線的是一個在意大利被稱為處女座的探測器，預(yù)計在 2017年開始運行。有三個探測器，科學(xué)家們將能夠更好的指定這些波正在從天空中哪里來。
這里是下一時代的引力波天文學(xué)可以完成的一些很酷的事情。
1）進(jìn)一步看回時間
我們當(dāng)前的望遠(yuǎn)鏡艦隊的一個問題是它們不能看回到宇宙形成的初期。
去年二月麥克馬斯特大學(xué)的粒子物理學(xué)家克里夫伯吉斯告訴我，"如果你用可見光看我們能在宇宙中看的最遠(yuǎn)的，這個宇宙不再是透明的;它變得不透明的，幾乎沒有什么對引力是不透明的。用LIGO，我們可以潛在的偵聽來自早期宇宙或者甚至大爆炸發(fā)放的引力波，獲得一個它如何形成的更好理解。
2) 改善愛因斯坦的廣義相對論理論
一個世紀(jì)前，愛因斯坦發(fā)表了他的廣義相對論理論。并且自那以后它已經(jīng)支配了我們理解引力。但物理學(xué)家 （和愛因斯坦本人）很早就推測了這個理論并不完整，因為它不能與量子力學(xué)的法則玩的好的。引力波可以幫助物理學(xué)家把廣義相對論放到越來更難的測試來看失敗的地方。
考迪爾說，"我們發(fā)現(xiàn)了這些黑洞與100 年前形成的愛因斯坦的他的理論是完全一致的，因此那很酷，但隨我們得到越來約多的檢測，我們能更深的探索他的理論，也許暴露它之中的洞"。
3）發(fā)現(xiàn)新的中子星
中子星是放出大量的引力的坍塌恒星的密度極高的核心。關(guān)于它們酷的是它們也產(chǎn)生光。考迪爾說，用LIGO"如果你能看到一個像中子星碰撞或一個黑洞和中子星碰撞一樣的事件"，你然后能把傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡指向它們看這個燈展的。
4）學(xué)習(xí)對黑洞來環(huán)繞彼此是多么常見的
在2月宣布前，沒有一個科學(xué)家已經(jīng)有兩個黑洞可能彼此環(huán)繞的觀測到了的證明的?，F(xiàn)在我們已經(jīng)看到兩對它們在做它。引力波天文學(xué)會幫助我們了解在宇宙中多少這些成對存在的。
5）尋找暗物質(zhì)的來源
暗物質(zhì)在理論上構(gòu)成宇宙中所有物質(zhì)的27%。但我們從未見過暗物質(zhì)（它是黑的?。?，并且我們不知道它從哪里來。
物質(zhì)創(chuàng)建引力?；蛟S引力波能幫助我們跟蹤暗物質(zhì)的來源。它可能以許多微小黑洞的形式存在。它可能是在宇宙之初創(chuàng)造的"太初"黑洞的遺留物。我們不知道。
6）尋找新的、奇異的天體
宇宙是一個大的、黑暗的地方。
哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家阿維·婁埃布說，"我們可能發(fā)現(xiàn)我們沒有預(yù)料到的引力源，那將是最令人興奮的"。
也許我們將發(fā)現(xiàn)"宇宙弦"的證據(jù)，空時中包含大量的能量的虛擬的怪異漣漪。發(fā)現(xiàn)這些奇怪的新天體的機會只隨著LIGO和它的來上線的同行的力量增加而增加。
雷茲說，它將會像"從簡單的伽利略望遠(yuǎn)鏡到你放在山頂?shù)?b>望遠(yuǎn)鏡的類型"一樣，未來的50年中，這正走向一個真的令人興奮的領(lǐng)域"。
