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发现引力波有多难?爱因斯坦当年投稿也遭拒(组图)

转载于:http://www.pcpop.com/doc/2/2359/2359597.shtml

美国科学家宣布发现引力波。

美国科学家宣布发现引力波。

制图姜宣凭

制图姜宣凭

陈雁北

陈雁北

胡一鸣

胡一鸣

华西都市报对话探寻引力波的中国面孔

引力波被发现,科学界和段子手都沸腾了

如果你看过刘慈欣的《三体》和美国大片《星际穿越》,那么引力波对你来说,并不陌生。《三体》中描述的引力波天线,拯救了人类;《星际穿越》最著名的影评这样写着:“能够穿越星际的,不止引力波,还有爱。”

为了证明现实中引力波是真实存在的,科学家们从没放弃过寻找引力波的踪迹。农历春节期间,朋友圈都被“引力波”刷屏了。人类经过了一个世纪的等待,首次证实了引力波的存在。科学家激动了,连段子手都沸腾了。段子手们应景地创作出“引力波的发现,是情人节前对单身汪的最大打击!连两个黑洞都玩着玩着在一起了… ”等各种段子,来分享引力波被发现的喜悦。引力波的发现,背后究竟有着怎样的故事?大年初六,参与探寻引力波的中国科学家,向华西都市报记者讲述了发现引力波的各种细节。

发现引力波已经成为春节期间最热的话题,大家对它的关注已经远远超过科研本身。

1916年爱因斯坦在广义相对论中预言存在引力波,所谓引力波是黑洞之类质量非常大的天体在剧烈运动时扰动周围的时空,扭曲的时空波动如波纹一样向外传播的现象。

首次探测到引力波进一步佐证了解释引力与时空现象的相对论的正确性,有望实现对光及其他电磁波探测不到的天体以及宇宙诞生之初形态的观测研究。

13日,引力波论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院教授陈雁北,德国马普引力物理所、清华大学博士后、LIGO科学合作组织成员胡一鸣在北京科技报社组织的科学传播微信群中,向华西都市报记者以及众多科学爱好者讲述了发现引力波背后的故事。

胡一鸣说,在发现引力波信号后,“LIGO科学合作组织的1000多名科学家在接下来的日子里忙坏了,分布全球的多个超级计算机开足了马力,想要将那一段短短数秒的信号背后的物理全部挖掘出来。慢慢的,如同盲人摸象般,我们开始一层层解开这一引力波信号的面纱。”

“有了试验数据,把引力波带入一个新的研究时代,这次发现一个很重要的转折点。”喜欢吃川菜的陈雁北透露说,“第一次观测运行的数据还没有完全分析完,还有剩下的一部分,里面也可能有引力波。等到频繁的引力波观测到,可能就不像现在这样保密。”消息为何隔半年才发布?

3分钟发现信号,用了半年来论证“2015年9月14日,我的邮箱里收到了一封内部邮件,Event G184098。邮件里描述了实时分析数据的软件得到了一个显著性极高的候选对象。后来,它换了个名字,GW150914,”胡一鸣解释说,意思是“在15年9月14日探测到的引力波(GW)”。

胡一鸣是德国马普引力物理研究所、清华大学博士后,作为LIGO科学合作组织成员,参与了此次引力波的探测,目前他身在德国。

胡一鸣说,这张捕捉引力波的网,叫做“advanced LIGO”(高新激光干涉仪引力波天文台)。

这是人类首次直接探测到引力波,也成为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失“拼图”。

如此重要的发现,为何要时隔半年才确认发布呢?

“其实当时信号到达后3分钟就被程序发现,但是因为那个时候还没有正式开始观测,所以大家并不期待探测到信号,回过神来第一个发现这次探测时已经是半小时以后了。”胡一鸣在访谈中回答说,“尽管如此,我们内部恪守规则,在没有万分的把握之前,严禁任何成员向任何组织外的个人透露消息。”

胡一鸣说,LIGO科学合作组织非常的严谨。只有当握有强有力的证据,才可以做出超出常人想象的论断。

事实上,在今年一月份美国亚利桑那州立大学的物理学家劳伦斯·克劳斯就在社交网站推特上发布消息,称LIGO探测器发现了引力波,引发了不小的争论。

“主要是LIGO因为严谨,不能对谣言做出任何回应,谣言满天飞的时候官方的声音不能发声,很是痛苦。所以我们希望能够在新闻发布会开始的时候,将正确的信息准确地传递给大众。”胡一鸣说。

“双黑洞的探测是一次惊世之作,在我们没有十二分自信之前,我们不敢轻易发布消息。对于大众读者而言,这不过是屏幕或者报纸上的简单几个数字,但是我们所发表的论文中的每一句话,每一个数字,背后都是漫天飞舞的电子邮件的讨论和反复的计算和确认,浸满了科学家的汗水。”胡一鸣说,“可以说,我们发表的文章,两句三年得,一吟双泪流。”

为何没选择发表在《自然》上?

现发表刊物,当年曾拒发爱因斯坦稿件

对于引力波的发现,这篇论文并没有发表在人们通常所知的《自然》或者《科学》上,而是发表在在美国物理学会出版的Physical Review Letters(PRL)上。

为何做出这一选择何做出这一选择,,昨天也成为大家关心的问题。

对此对此,,引力波论文作者之一作者之一、、LIGO科学联盟核心成员盟核心成员、、加州理工学院物理教授陈雁北解释说,物理上的发现和研究结果发在PRL上比较合适。

“我觉得就是这个原因我觉得就是这个原因,,物理上挺重要的研物理上挺重要的研究结果都是发在PRL上。它跟《自然》和《科学》有所侧重。PRL是一个很好的物理期刊,而引力波是一个很重要的物理发现,所以我们决定发在这上。”陈雁北说。

胡一鸣也解释说:“曾经听一位师兄说,在天文领域最重要的发现都是发表在APJ或者PRL上,而自然和科学更多地追逐时髦。”

对于引力波的发现,陈雁北接受采访时曾说:“我相信爱因斯坦看到今天的结果,一定也会吓一跳,尽管他会因自己在广义相对论、量子力学、激光等多个领域的贡献感到欣慰,但百年来物理学已获得前所未有的发展。对于人类今天的成就,爱因斯坦一定无法想象。”

事实上,爱因斯坦不仅会对发现结果感到吃惊,对于论文的发布也一定会吃惊不小,因为PRL的前身,APS所出版的Physical Review,曾经拒稿爱因斯坦关于引力波预测的论文。

据由海归学者发起的公益学术交流平台“知社学术圈”的作者考证,1936爱因斯坦向Physical Review投稿,题目是《引力波存在吗》,在他预测引力波20年之后,爱因斯坦写了这篇论文。

论文中,爱因斯坦的结论是引力波不存在,这也是Physical Review拒稿的原因。此后爱因斯坦在意识到自己犯错后,对论文进行了修正并发表在另外一家刊物上。

不过此后,爱因斯坦也再未给 Physical Review写过文章。发现引力波,中国有啥贡献?

清华大学团队帮忙“净化”了干扰信号

在此次引力波的发现过程,除了陈雁北、胡一鸣等中国科学家参与外,清华大学是中国大陆唯一 LIGO科学合作组织成员,研究团队作出相应的贡献。

2009年LSC(LIGO科学合作组织)接受清华大学为正式成员。据了解,研究团队着重采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率,参与了LSC引力波暴和数据分析软件等工作组相关研究,以高精度的数据分析能力帮助“净化”了引力波探测中的干扰信号,加速了迈向星辰大海的征程。

“漫长的时间里LIGO探测器并没有达到设计精度,是探测不到真正的引力波信号的,可以认为实际大家在处理的全都是噪声,可就是在对这些噪声的一点一滴的处理中不断积累经验,不断提升仪器的精度,才有了今天的探测灵敏度,”清华大学LIGO工作组负责人曹军威说。

据胡一鸣介绍,引力波的探测器在美国,但是数据都会放在超级计算机上(这部分的工作也有清华研究团队早些年的贡献)。研究者可以连接到超级计算机进行分析、处理。

胡一鸣说,LIGO是由参与建造、维护仪器、分析数据的1000多位科学家共同组成的科研团队。

“LIGO的建立需要全方面的努力,从材料、镀膜、隔震、激光、真空,到超级计算机、数值相对论、快速信号处理、数据分析、快速空间定位、参数估计,每一个步骤,每一个细节,都凝结着研究人员数十年的积累和心血,看着简单的几个数字,每一步背后都是厚厚的几十本博士论文。要实现LIGO对黑洞并合的探测,所需要解决的问题太多太多,自然需要很多研究团队的合作。”胡一鸣说,在发现引力波信号后,“LIGO科学合作组织的1000多名科学家在接下来的日子里忙坏了,分布全球的多个超级计算机开足了马力,想要将那一段短短数秒的信号背后的物理全部挖掘出来。慢慢的,如同盲人摸象般,我们开始一层层解开这一引力波信号的面纱。”

对于华西都市报记者的提问“这次引力波探测,有多少来自中国的研究者参与?”陈雁北说:“我觉得华裔的,加上中国本土的,可能会占总数的百分之十。具体我也说不清。”

对话科学家

爱吃川菜的科学家陈雁北:

引力波非常微弱

穿越

还不能实现

陈雁北(引力波论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院教授,北京人,爱吃川菜)

胡一鸣(德国马普引力物理所、清华大学博士后、LIGO科学合作组织成员)

华西都市报:何种机缘让您开始引力波实验项目的探测?

陈雁北:我参加引力波项目很偶然,以前在北大学的是核物理,到加州理工后,觉得引力波挺有意思的,又是一个很新的项目,就加入了。

引力波探测有很长的过程,花了几十年的时间,开始大家都不知道引力波多长,怎么能够探测到。

其实我也比较幸运,参加这个项目十几年就发现了引力波信号,有的是研究是了三四十年才探测到,对于他们来说,学术生涯很长一段时间都属于一种没有数据的探索阶段。

华西都市报:引力波存在与我们的生活有什么密切联系吗?

陈雁北:除了技术上的推动,直接应用好像很难。研究科技最高、最难的东西,可以衍生其他学科的进步,是一个非常基础的作用。

胡一鸣:正如爱因斯坦当年也无法准确地预言,广义相对论能给人带来什么用处。但实际上,我们手机里使用的卫星导航,如果缺了广义相对论的修正,根本就无法正常使用。有故事说,一位收税官在观看了法拉第的电动机工作表演后,很轻蔑地问道:“这样的东西会有什么用呢?”法拉第告诉那位收税官:“先生,我想在将来的某一天,你一定会向它收税的。”在面对科学突破时,特别是这种基础领域的突破时,我们不应该以现实应用评价它的价值。当然,这也并不是说,纳税人的钱扔给LIGO只是为了听个响(我们的确听到了这一声黑洞的并合),在LIGO的建造中,涉及到无数科研前沿的问题等待突破,而这些技术上的创新与突破,纷纷都衍生出草创公司,也许未来某一天,我们也将从中受益。要知道,创造互联网的,并不是某个商业公司,而是为了探索高能物理的欧核中心。

科学的发展往往很有趣,有人总结过,如果某个科学家预言某种事情一定做不成,事实往往会证明他/她的错误。

华西都市报:引力波被证实,是不是一些科幻作品里的场景也间接能实现?

胡一鸣:官方的回应一直是:不予回答。陈雁北:穿越和时光机等还不能实现。引力波非常微弱,因此很难发射可以被接收和探测的引力波。从理论上讲,有可能向一个正在合并的双黑洞发射一个叠加的引力波,可望产生一种引力波放大效果,但实际上不太可能实现。此外,由于引力波本身造成的时空弯曲是很小的,所以借助引力波“穿越时空、回到过往”并不现实。

中国引力波探测工程可以做什么?

“天琴计划”能探测更大的黑洞

问:网上有人说,LIGO项目研究探测到了引力波,是否中国的“天琴计划”就不需要再继续了?

胡一鸣:对于我国自己的引力波实验项目,我个人认识是应该大力鼓励和支持的。我去年年底参加过天琴计划的研讨会,如果可以做成,我非常希望自己可以参与到咱们国家自己的引力波研究进展中

陈雁北:网上有人说发现引力波了,天琴计划是不是就不要搞了,我认为这是非常错误的说法。因为地面和天空探测引力波是不一样的,不同的波段观测到的不同的现象,观测到的是不同的东西,本身没有矛盾。

考虑到地面已经观测到引力波,这是对空间探测一个鼓励。天琴计划可以探测更大的黑洞,很可能是星系中心这样更大质量黑洞的并合过程,研究宇宙的了解,早期星系形成演化过程,这是地面上探测不到的,天琴计划可以带来更新的信息。

天琴计划,我是去年从中大校长罗俊院士那里听说的。我更高兴,在引力波上中国应该有所投入,做出中国贡献。华西都市报记者王国平

[视频]SpaceX创下历史:猎鹰9号火箭首次成功回收全纪录[转载]

转载自cnbeta:http://www.cnbeta.com/articles/459563.htm

随着轨道太空助推火箭的成功着陆,SpaceX刚刚创造了一个历史。美国东部时间晚间8:39,该公司的猎鹰9号火箭在Orbcomm-2任务中将11颗通讯卫星送入近地轨道之后,其一级在卡纳维拉尔角空军基地实现了受控“软着陆”。该火箭于当晚8:29从第40号空间发射综合体点火升空,风速为10英里/小时(16 km/h)。10分钟后,猎鹰9号火箭的一级顺利着陆。

猎鹰9号共携带了19颗通信卫星。

起飞1分钟后,火箭达到了最大应力(Max Q);2分20秒后,1级停机、并开始2级分离(数秒后点火);3分钟的时候,保护负载的整流罩被抛开;10分钟时,火箭二级停机;15分钟时,开始部署首颗卫星;最后一颗则在当晚8:49被放出。

发射台上的猎鹰9号。

与此同时,猎鹰9号火箭的一级并未坠入大西洋,而是以亚轨道高超音速重回既定的返程轨道;随后引擎继续运行4分钟以减速、重新进入大气层,而助推器顶部部署的一组叶片,则作为舵手来指引火箭返航。

猎鹰9号点火起飞时。

起飞10分钟后,引擎最后一次点火,并最终于1号着陆区(此前是在1978年最后一次使用的第13号太空发射综合体)实现“软着陆”。

猎鹰9号助推器接触地面。

SpaceX称,整个着陆调遣,全由助推器上的“自主式导航计算机”自行控制。随着火箭的顺利着陆,任务控制中心爆发出了阵阵欢呼,掌声经久不息。

猎鹰9号创下了轨道太空火箭“首次受控着陆”的历史。

SpaceX CEO Elon Musk昨日宣布了将发射推迟24小时的决定,以提升10%的成功几率。作为进一步的防御措施,当地社区已发出了火箭返回时的引爆预警。

30-sec TECH SpaceX makes history

本次运送的11颗卫星,将成为Orbcomm 17颗近地轨道卫星群的一部分(用于机对机和远程通信)。此前,猎鹰9号曾在执行CRS-7任务时,遇到因氧气罐压力异常而造成的二级爆炸事故

ORBCOMM-2 Full Launch Webcast

[编译自:Gizmag , 来源:SpaceX]

新期刊将彻底打破传统学术出版规则【转载】

转载自cnbeta:http://www.cnbeta.com/articles/427049.htm

大多数传统学术期刊只接受完整的研究论文,是在核心研究工作完成后的系统总结。2015年9月1日开放获取期 Research Ideas &Outcomes (RIO)刊宣布将要创刊,这代表着一种新学术出版模式的出现,新型期刊接受和发表研究过程所有类型的学术资料,包括研究思路、研究方案、研究数据、软件、项目报告、政策简报、项目管理计划,也接受完整的研究论文。而且该杂志不受学科限制,可以 是自然科学研究,也可以是人文软科学领域。

根据《自然》报道,新杂志的出现已经很少引起大家关注,这一新杂志的新思路让大家开眼,一出现就引起学术界关注。一些学者担心大家不会愿意分享不成熟的研究思路,因为这些研究思路是某些学者赖以生存的基础。长期关注流氓开放期刊的加拿大学者Jeffrey Beall对这种杂志有一些担心,担心作者可挑选审稿人,容易导致伪评审问题。

伦敦自然历史博物馆进化生物学家Ross Mounce是该杂志的发起主编。新杂志的栏目主编丹麦技术大学海洋科学家Ivo Grigorov在推特上说,杂志刚刚起步,尚存在许多缺陷,但这个杂志给作者提供了一种新选择,能在研究工作的任何阶段发表学术资料。他不认为存在评审过程容易被操作的问题。主编Mounce认为匿名评审是导致许多论文无法重复的原因之一,开放或公开评审将能提高对评审过程的监督。新杂志计划在2015年11月开始接受稿件,接受稿件作者将被要求支付数百美元出版费。Grigorov说,新杂志是一个尝试克服目前流行学术出版系统的不足,可能还不是非常完美,也可能会遇到一些困难,但不尝试怎么可能成功。

杂志出版通过ARPHA出版平台,从投稿、审稿,到发表,形成一个网络合作空间。ARPHA出版平台让整个评审过程公开透明,以保证评审的公开公平和信誉。收费方式也比较灵活,所有项目如审阅、评论、数据和代码都能获得独立ID,可以永久在线开放获取。

个人认为,这代表一种新的发表时代。如果该期刊获得成功,那么将来会出现不同领域的类似期刊,例如Ideas & Outcomes inbiology,Ideas & Outcomes in medicine,Ideas & Outcomes incell等等。当然也可能会出现这样的情况,传统学术期刊参考这种出版理念,接受研究思路和研究方案等论文形式。

科学研究往往是多人合作的工作,合作不仅体现在不同资源,也体现在不同阶段。有的人有实验平台,但缺乏好的研究思路,有的人有技术特长,但缺乏课题设计能力,不一而足。但传统的论文发表模式无法将这种差别体现出来,因此导致当前的许多研究必须在团队中完成。其实研究完全可以相互开放合作,这其实就是一种合作共享平台。如果你有好的思路,但没有条件或能力去证明,过去几乎不可能形成文章发表出来,这种情况现在可以发表自己的看法和观点了。还有一些研究数据,因为不符合研究假说,或者属于阴性结果,过去很难找到发表渠道。这种新的学术期刊将给这些不理想的研究资料和知识产品提供展示的平台。医学期刊中有一个《医学假说》就是专门发表研究假说和思路的,但对其他多种研究的元素无法找到发表途径。

许多人可能会担心,这不是会导致研究思路被剽窃的可能,其实不要担心,因为发表后就意味着你拥有思路的权限。需要担心的是某些具有衍生研究价值的思路,可能会被一些有更多资源的人抢先研究。其实也不要担心。不过如果一个人真的善于提出研究新思路,他完全可以依靠提出新思路在学术上建立自己的学术地位,反复提出思路,让愿意验证的人去验证吧,关键是提出的思路可行性要比较好。

学术讲究创新,学术出版也需要创新,从传统的纸质期刊,到电子期刊,从订阅到开放,从完整到分散。所有正确的改革方向都要围绕促进学术交流的效率,促进科学研究发展速度为标准。按照这个标准,学术出版没有也不应该有固定模式。可以看到论文越来越接近科研过程,这是好事。

注定生命出现的物理常数值:宇宙为我们定制?

据物理学家组织网站报道,将近半个世纪以来,理论物理学家们一直在思考一个似乎有些令人困惑的问题,那就是我们宇宙中的一些基本物理常数的值几乎就像是为了让生命出现而专门定制的。粒子物理标准模型中的那些常数导致了宇宙大爆炸中氢原子核的形成,然后在早期快速诞生的大质量恒星内部合成了碳原子和氧原子,并伴随超新星爆发散布到宇宙空间中去。

我们宇宙中的一些基本物理常数的值几乎就像是为了让生命出现而专门定制的。即便是基本物理学参数上发生非常微小的变化也会导致这种多重宇宙中出现完全不同的宇宙,我们所在的宇宙似乎对我们是友好的


这些过程最终为太阳系和行星的出现奠定了基础,让在其中的一颗行星上出现以碳元素为基础,依赖水和氧气生存的生命成为了可能。

最早产生这样一种想法,即认为物理学以及宇宙的演化都遵循人择原理的人是英国剑桥大学的天体物理学家布兰顿·卡特尔(Brandon Carter),当时他还是一名博士后研究员,随后这一想法得到了剑桥大学的史蒂芬·霍金教授以及全球各地大批物理学家们的广泛探讨。

德国学者沃尔夫冈·梅纳(Ulf-G Mei?ner)是德国波恩大学亥姆霍兹研究所理论核物理首席研究员,他为人择原理提供了更多的证据。

在一篇名为《核物理中的人择思考》的研究论文中,梅纳教授对人择原理在天体物理学以及粒子物理学中的体现进行了论述,这篇文章刊载于北京出版的《科学通报》(Science Bulletin)上。在这篇论文中,梅纳教授写道:“人们可以通过一些具体的机制过程,比如元素的产生过程,来对这种相对抽象的论述进行物理学检验。”

他说:“这就需要利用超级计算机,我们在其中对世界进行模拟,并允许我们采用不同于真实世界中的一些基本物理学参数。具体到某个物理学问题,比如我想知道大爆炸中轻元素的产生对轻夸克的质量变化是否敏感;另外,在3-α过程中谐振状态的稳定性如何?”

布兰顿· 卡特尔最初设想的理论是这样的:“我们的宇宙(同时也包括那些其赖以存在的基本物理常数)必须允许观察者在某一阶段出现。”史蒂芬·霍金教授是宇宙大爆炸 和宇宙膨胀方面的专家,他在一系列的专著和论文中介绍和拓展了这一思想。比如在他的畅销书《时间简史》中,霍金教授总结了一系列看上去支持人择原理的天体 物理学现象和常数,并提问道:“为何宇宙以这样接近于介于坍塌和永远膨胀模型的临界膨胀速率开始并膨胀下去,即便是在今天,在经过100亿年之后,仍然在以几乎临界速率膨胀?假如大爆炸之后一秒钟时的宇宙膨胀速率哪怕小上一亿亿分之一,那么我们的宇宙早在变成今天的大小之前便已经重新陷入塌缩。”

梅纳教授在论证其观点时写道:“我们所生活其中的宇宙是由一些特定的参数定义的,这些参数取得某些特定的值,使其似乎专为生命而定制,其中也可能包括地球上的生命。”

他 指出:“比如说,宇宙的年龄必须足够大,从而可以允许星系,恒星和行星,以及第二代和乃至第三代恒星的形成,这些形成时间较晚的恒星体系吸收了由此前已经 消亡的更早的恒星在太空中散播的碳和氧元素。而从更加微观的角度来说,粒子物理标准模型中轻夸克质量的某些基本参数或电磁精细结构常数的取值也必须允许中 子,质子和原子核的形成。”

宇宙大爆炸核合成机制仅仅产生了氢原子核以及α粒子(氦核),而那些被普遍认为属于生命必须元素的物质,如碳和氧都是在后来才由亮度和质量巨大,因此寿命也非常短促的早期恒星在其内部经由核合成机制产生,并以超新星爆发的形式散布到宇宙空间当中。

在德国于利希研究中心JUQUUEN超级计算机上进行的一系列计算机模拟中,梅纳教授和同事们将自然界中轻夸克的质量数值进行了更改,以验证这一数值发生多大程度的变化将会导致大质量恒星内部碳和氧元素的合成过程受阻。最终他们得到的结果是,轻夸克质量上2~3%的变化将不会对大质量恒星内部碳和氧元素的合成造成灾难性的影响。

而在宇宙的开端,当大爆炸发生并产生元素周期表上最初开头的两个元素之时情况则有所不同。梅纳教授表示:“从观测到的元素丰度到自由中子的衰变周期大约为882秒这一事实,大部分幸存下来的中子都会被氦核捕获。你会发现这里对轻夸克的质量变动有一个严格的限定。”他说:“这种严格的限定似乎可以被视作是宇宙人择原理的一项支持证据。很显然,我们可以设想存在很多个宇宙,在每一个宇宙中基本参数都有不同的取值,从而导致其中的环境大大不同于我们所在的宇宙。”

史蒂芬·霍金教授指出,即便是基本物理学参数上发生非常微小的变化也会导致这种多重宇宙中出现“完全不同的宇宙,即便它非常美丽,但毫无疑问,我们中的任何人都将无法欣赏这种美”。

梅纳教授对此表示赞同:“那样的话,就说明我们所在的宇宙似乎是对我们友好的,而这正是人择原理的基础。”

牛!人类首次让光停止传播60秒

据国外媒体报道,在爱因斯坦的相对论框架中,光速被认为是无法“超越”的,这个宇宙中的“极限速度”一直是科学家突破的目标,如果我们无法实现超光速运行,那么是否可以将光速减慢?来自德国达姆施塔特大学的研究人员成功将光“困”在晶体中长达60秒,该技术是实现并提高量子通信技术的关键一步。

宇宙真空环境中传播速度最快的光也无法逃脱人类的控制,特殊的晶体介质将光的速度降低,并彻底让它“停止”,来自英国圣安德鲁斯大学科学家托马斯·克劳斯认为一分钟对于控制光速的实验而言已经是非常非常长了,这是一个重要的里程碑!

哈佛大学的科学家们此前已经成功将光“限速”,并再次恢复光的速度,但是哈佛的实验只将光速限制在千分之一秒内,光速被限制后仅为48公里每小时(38英里每小时)

早在1999年,哈佛大学的物理学家Lene Vestergaard使用接近绝对零度的超流性气态原子云成功将一受控光束的速度降低至每秒17米,两年后将光速受控停止在一个时间区间内。

光速是目前宇宙真空环境中的“极限速度”,爱因斯坦相对论不允许物体的运动速度超过光速,光的速度为每秒186,282英里,确切说只要1.2862秒就能抵达月球。

为了使宇宙速度最快的光“停止”下来,德国科学家使用了一种被称为电磁感应透明效应(EIT)技术,通过量子相干效应使得光原子共振吸收频率上变得透明,在EIT形成的频谱上,只有一定频率范围内存在透明和不吸收的通道,因此德国科学家在设计实验过程中需要对光脉冲的频宽进行控制。

事实上,电磁感应透明效应是三能级系统中量子干涉的结果,其光谱理论计算通常是利用基于原子密度矩阵的光学布拉赫方程式。

在本次实验中,科学家将受控光速指向含有镨元素的硅酸钇晶体,通过控制激光束调节晶体的透明态和不透明态,使入射光束无法折射,最终在原子自旋的介入下控制光子携带的信息。

此前也有相关实验将受控光速注入低温铷(87Rb)原子介质,达到降低光速的目的,利用偏极梯度冷却法和压缩式磁光陷阱增加受控原子团的密度。

另外,哈佛–史密森天文物理中心也对该课题进行了研究,同样采用玻色–爱因斯坦凝聚体原子团将光子携带的信息冻结,速度开始降低,最终存储时间达到1毫秒,这些实验对量子通讯有着很大的意义。

世界变化太快:真空光速受到质疑

1987年2月24日凌晨,意大利Blanc峰下的中微子探测器探测到了一次中微子爆发。三个小时后,另外两个地点的中微子探测器探测到了类似的爆发。大约4.7个小时后,研究大麦哲伦云的天文学家报告发现超新星爆发。这次事件被称为SN 1987A。

时至今日,SN 1987A是最广泛研究的一次超新星爆发,但困扰科学家的一个谜团是:为什么中微子比光子先抵达地球?

这次事件包含了两波间隔三小时的中微子爆发,而光子比第一波中微子爆发晚了7.7小时。中微子和光子在真空中的传播速度相同,理论上应该同时抵达地球。

马里兰大学的James Franson给出了一个解释:真空光速比爱因斯坦相对论预测的要慢。他解释说,真空中飞行的光子有机会形成电子-正电子偶,其存活时间很短,它们最终会创造另一个光子沿着相同的路径前进。这一过程被称为真空极化。由于电子-正电子偶有质量,银河的引力势会对其产生影响。引力势改变了虚拟电子-正电子偶的能量,转而又对光子的能量产生了一个小的变化,光子的速率因而受到影响。相比之下,中微子不会同样受到影响。组合使用量子电动力学和相对论对光速进行校正,可以解释中微子和光子抵达地球的时间差。

恐怖!大质量黑洞旋转速度接近光速

一支国际科学家小组利用美国宇航局“核星”(NuStar)X射线望远镜和欧空局的“XMM-牛顿”X射线望远镜,对我们邻近星系中央的一颗大质量黑洞释放出的X射线进行了观测。计算表明,该黑洞边缘的自转线速度为29.8万公里/秒,几乎达到了光速!

长期以来,科学家猜测隐藏在星系中心的黑洞旋转得越快、就生长得越大,这是因为可以吞噬更多的气体、尘埃、恒星等物质。但是,此前一直没有可靠地测量过黑洞的旋转速度。黑洞本身很难探测,只能借助于环绕在它周围区域发射出的X射线。

马里兰大学的天文学家Christopher Reynolds表示,这是第一次明确无误地测定出了大质量黑洞的旋转速度。

从数百万到数亿倍太阳质量的巨大黑洞被认为存在于每一个星系的中心。他们拥有强大的引力,甚至连光线都无法逃逸。科学家能够通过黑洞吞噬物质时释放的X-射线研究这些宇宙引力巨怪。知道它们的旋转速度,有助于阐明它们的生长过程。

去年夏天,两架X射线望远镜同时对螺旋星系NGC 1365中心的巨大黑洞进行了跟踪拍摄。之所以选择这个星系作为探测目标,是因为它距离我们仅6000万光年,以宇宙尺度来看,这是非常近的距离。

我们银河系中心也有一颗类似的黑洞,但由于它不是很活跃,我们也就无法测量它的旋转速度了。

爱因斯坦错了:光速没有那么快?

1905年,爱因斯坦计算出,光在真空中以每秒18.63万英里(合每秒29.98万公里)的速度传播,且速度恒定不变。

据英国《每日邮报》网站报道,这个理论被认可了一个多世纪,但一项有争议的最新研究结果称,爱因斯坦其实弄错了,光速比我们认为的要慢。

这项研究是巴尔的摩物理学家詹姆斯·弗兰森开展的,他探究了为什么超新星SN 1987A的光粒子抵达地球的时间比预期要晚4.7个小时。

这颗星球的衰竭是1987年从地球上观测到的,它迸发出大量中微子——不带电荷、参与弱相互作用的亚原子粒子。

据爱因斯坦称,这应当发生在可见光迸发的大约三个小时以前,从那时起,脉冲波应当就齐步前进,两者都以光速传播。

然而,可见光抵达地球的时间比中微子晚了大约7.7个小时,迟到4.7个小时。

美国马里兰大学物理学家弗兰森认为,这一延迟可能是因为光在传播过程中由于“真空极化”而减速。

在“真空极化”现象中,光子在瞬间分解为所谓“正电子”和电子,随后重新结合到一起。

当它们分裂时,量子力学在这对“虚拟”粒子间形成一种引力势。

弗兰森表示,这个过程可能会逐渐影响光子的速度,也就是说,在超过16.8万光年的途中,光子的传播也许被延迟了近5个小时。

假如这位物理学家的观点是正确的,那就意味着科学家们不得不重新计算各种东西,比如我们与太阳之间的距离和其他星系中一些最遥远物体与地球间的距离。

弗兰森的论文已递交给英国《新物理学杂志》,目前正接受同行审查。