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发现重力波! 爱因斯坦百年预言证实,清华团队见证物理新纪元

发现重力波! 爱因斯坦百年预言证实,清华团队见证物理新纪元

分類:
科技创新
作者:
张国荣
來源:
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發佈時間:
2022-02-24 16:12
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【摘要】: 发现重力波! 爱因斯坦百年预言证实,清华团队见证物理新纪元
美国的激光干涉重力波侦测站 (Laser Interference Gravitational Wave Observatory, LIGO) 于美东时间2月11日上午十时三十分,在美国华盛顿特区以及意大利卡西纳 (Cascina) 同步召开记者会宣布侦测到重力波。这是人类第一次直接侦测到物理界的圣杯───重力波,更是物理界近百年来最重大的发现之一。本校光电工程研究所赵煦教授的研究团队,是唯一参与的台湾团队,见证历史性的一刻。   LIGO位于路易西安那州以及华盛顿州的两个侦测站,于2015年9月14日国际时间上午9点51分前后相距7毫秒,分别侦测到重力波信号,并经历四个月严谨的数据检查而确认。此次侦测到的重力波来源是两个黑洞的合并,一个黑洞具有29个太阳质量,另一个黑洞具有36个太阳质量,合并时以重力波的形式释放出相当于3个太阳质量的能量,来源距离地球13亿光年,位于南半天。   赵煦教授表示,爱因斯坦于1915年发表广义相对论,认为重力现象是有质量的物体对时空产生的扭曲,并于1916年预测大质量的物体剧烈运动时,时空的扭曲将以重力波的方式传播。但爱因斯坦当时认为,遥远的宇宙中星体剧烈运动产生的重力波传到地球已太微弱,不可能在地球上侦测到。1974年美国科学家侯斯 (Russell Hulse) 与泰勒 (Joseph Taylor) 侦测到波霎双星,并用重力波能量消散解释波霎双星周期改变的现象,间接指向重力波的存在,获得1993年诺贝尔物理奖。在爱因斯坦1916年发表重力波预测的整整一个世纪后,LIGO直接侦测到重力波并且证实,意义格外重大。   赵煦教授指出,此次重力波的发现具有三层重大意义:第一是直接证实重力波的存在;第二是直接观测到双黑洞合并的运动;第三是打开了以重力波为观测媒介的天文学;未来和电磁波天文学搭配,将大幅扩展人类探究宇宙之窗,对目前天文学、宇宙学的发展具有莫大的意义,人类对大自然的终极探究活动又迈进一大步。   LIGO重力波侦测器的主要研发工作,包含设计、建造、观测以及数据分析等是由LIGO科学合作联盟 (LIGO Scientific Collaboration, LSC) 所执行。LIGO科学合作联盟 (包含欧洲的Virgo联盟)由来自全球15个国家的90多所研究机构和大学的科学家共同组成,并由美国的加州理工学院(Caltech)以及麻省理工学院(MIT)共同主持运作。主要资金赞助来源为美国国家科学基金会 (National Science Foundation, NSF),也有德国的马克斯-普朗克学会,英国的科学与技术设施委员会和澳大利亚的澳大利亚研究基金会等资助。   LSC重力波探测网络包括LIGO干涉仪和GEO600探测器。GEO团队包括来自德国马克斯普朗克重力物理研究所(爱因斯坦研究所AEI)、汉诺威莱布尼兹大学与英国格拉斯哥大学、卡迪夫大学、伯明翰大学,其他英国的大学以及西班牙的巴利阿里群岛大学。   几项提高灵敏度的关键技术由德国─英国的GEO合作联盟开发并测试。主要的计算机资源由AEI的Atlas机群,LIGO实验室,雪城大学和威斯康星大学密尔瓦基分校贡献。一些大学设计、建造并测试了Advanced LIGO的关键部分:澳大利亚国立大学,佛罗里达大学,史丹福大学,纽约哥伦比亚大学和刘易斯安那州立大学。   赵煦教授所领导的清华团队,包括研究生潘皇纬、郭令智、黄书于、郑钧,为唯一参与LIGO科学合作联盟的台湾团队。清华团队的主要研究工作领域及贡献,在于降低激光反射镜的热扰动噪声以提高侦测器的灵敏度,让观测仪更能触及微弱的重力波,并致力于下世代更灵敏的低温反射镜的研发。   赵煦教授指出,重力波侦测器的噪声在100赫兹频段必须低于10-23,激光反射镜是其关键组件之一。清华团队利用自制的离子束溅镀机以及热扰动测试设备,致力于LIGO科学合作联盟的反射镜多层干涉薄膜的研发工作,并创新的将国家奈米元件实验室的半导体制程技术引进这项研发工作,使台湾坚强的半导体制程实力,在下一世代的低温重力波侦测器研发中提供重要贡献。该团队的研究工作受到科技部以及校方的大力支持。   此次重力波的发现与证实,已经撰写成论文,并已获《物理评论通讯》(Physical Review Letter) 接受。在这个里程碑的论文里,赵煦教授团队以及本校均被列为共同作者,此外,中华民国科技部也被列在致谢名单当中,是我国参与国际合作研究的典范之一。    

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