宇宙大爆炸正在迴盪 超級引力波現神秘屬性(圖)

2011-07-19 23:45

宇宙大爆炸產生的超級引力波正迴盪在宇宙空間中(網路圖片)

天文學家研究宇宙大爆炸產生的引力波時認為：在現實宇宙中，一個超大質量的天體並不會產生引力波，然而，一個相互運動的雙星系統則就會產生引力能量的動態變化，這種變化就可能在地球上就能探測的到。引力波的一些屬性和光類似，比如在真空中都是以光速進行傳播，還有確定的頻率和振幅。而其與光不同的地方是，引力波並不會發生散射現象或者被物質所吸收。

正是由於這個不同的屬性，科學家們推測宇宙中最原始的引力波產生於宇宙大爆炸，這個原始的引力波仍然在宇宙空間中「迴盪」，有待於進一步的監測和分析。目前，天文學家已經間接地探測到引力波的存在。主要是通過觀測一個由脈衝星構成的雙星系統，其編號為PSR1913+16。科學家發現這顆脈衝星的軌道出現衰減，每相互旋轉一圈衰減達到3毫米，而這種軌道的衰減，就是一種能量的損失，天文學家推測其能量的損失是由於引力波將雙星系統中的能量給耗散出去了。

而直接探測到引力波，基於目前的技術水平還是有些困難的，引力波抵達地球時已經是極為微弱了，所以需要靈敏度非常高的監測設別。目前，天文學家已經在美國路易斯安娜州和華盛頓州架設了引力波探測的干涉儀LIGO，其是目前世界上靈敏度最高的也是最大的引力波監測站，理論上可以探測來自宇宙深處的引力波信號，但是這種信號非常的微弱，而且還夾雜著地球上的干擾，因而這個最大引力波天線還需要進一步升級。

來自遙遠宇宙深處的引力波會在宇宙空間中進行「能量傳遞」。舉個例子：當引力波接近地球，然後「撞擊」地球，這個情景就像一個孤島任憑海浪的拍打一樣，地球就像宇宙中的孤島，在引力波的衝擊下「搖晃」。而科學家就是要監測這樣搖晃所造成的幾何形狀的微小的變化。由於引力波類似波浪衝擊的作用，可以使宇宙空間中的時空產生拉伸和收縮，這也是其能量傳遞的機制。

與此同時，天文學家也認為引力波與宇宙間物質的相互作用的影響不大，且在真空中以光速進行傳播。但是，引力波隨著傳播的距離的增大會出現能量損失，會出現衰減。這就類似水波的原理，當我們在池塘中投入一塊石頭，蕩起的水波隨著擴散面積的擴大出現衰減。引力波另一個特性是其隨著傳播距離的擴大，也可能出現頻率上的下降，也就是其波長變長。這是由於宇宙空間的加速膨脹，在一定程度上作用著引力波的行為，進而使引力波出現屬性上的變化，而這其中的機制還是個未解之謎。

鑒於引力波的種種特殊的性質，目前科學家還不能一一進行解讀，而對來自宇宙深處並經過地球的引力波，科學家試圖進行更加精確的探測，這就需要極其靈敏的探測儀，而且還必須將引力波從宇宙背景等雜訊中分離出來，這對檢測和測量等具體工作來說是一個巨大的挑戰。對於引力波探測LIGO干涉儀而言，來自地球的背景雜訊同樣是個棘手的問題，比如地震雜訊、儀器雜訊（溫度變化影響探測設備的校準）和量子水平的雜訊，而量子水平的雜訊又稱為約翰遜奈奎斯特雜訊，即熱雜訊，其原因來自量子不確定性。

目前，引力波研究和理論方面最有名望的科學家是基普索恩（Kip Thorne），其通過使用量子非破壞性測量的方法解決了引力波中可能是最後或者是最棘手的一個作用效應，這個方法主要體現在：在進行量子測量的時候，獲得全部的信息就會導致完全脫散的情況出現，如果通過量子非破壞性測量，可以使脫散程度下降，或者說可以測量一個東西，卻不破壞它，也就是不使其波函數坍縮。

要將量子非破壞性測量應用到測量極其微弱的引力波上，還需要進行一些調整，因為引力波是一種小振幅且低頻的信號，極不容易探測。而正是由於引力波是超低頻的，所以其波長可以非常地長，我們知道無線電波波長一般在3米，可見光起於390納米，而引力波的波長隨著不同的宇宙事件會對應不同波長。比如，一顆超新星爆炸產生的引力波一般為300公里，由黑洞構成的雙星系統產生的引力波為30萬公里，而宇宙大爆炸產生引力波波長可達30億光年。所以，對於引力波的探測，不僅要有極為靈敏的儀器，還需要理論上的支持，否則，對收集到的數據也很難進行分析。