中子星 科学方法和科学艺术


中子星 科学方法和科学艺术
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1974年 , 通过对脉冲双星PSR1913+16的天文观测 , 天体物理学家间接地证明了引力波的存在 。 麻省理工学院的物理学家泰勒和他的学生赫尔斯使用了308米直径的射电望远镜 , 发现了两颗质量与太阳接近的中子星 , 双中子星系的一颗为脉冲星 , 利用脉冲星发出的精确性周期脉冲信号 , 泰勒和赫尔斯计算了双中子星系轨道的半长轴和绕转的周期 。 根据广义相对论的预言 , 在近距离的位置上相互绕转时 , 两颗致密的中子星将会产生引力辐射 , 携带辐射能量的引力波将向外传播 , 随着双中子星引力辐射能量的減少 , 双中子星系的轨道半径随之变短、周期随之减少 。
泰勒的科学团队对脉冲双星PSR1913+16进行长达30多年的精确观测 , 他们发现双星系的半长轴每年减少3.5米 , 绕转周期每年减少78.5微秒 , 计算的结果与广义相对论的理论预测保持一致 。 泰勒和赫尔斯获得了1993年的物理诺奖 , 他们在科学史上第一次间接地发现了引力波的存在 。 2015年9月 , LIGO合作团队首次探测到了引力波信号 , 在电磁波被发现之后的100多年 , 激光干涉仪合作团队的科学家找到了爱因斯坦在100年前预言的引力波 。 直接和间接发现引力波的存在符合科学哲学方法论的等效原理 。
使用激光干涉仪直接测量引力波信号 , 主要是测量两条激光束相交时形成的干涉图像的变化 , 当引力波从两条相互垂直的激光束穿越时 , 将会引起激光束长度的微小变化 , 激光干涉图像的微小变化由激光束长度的微小变化引起 。 激光干涉仪的灵敏度与激光束的长度成正比 , 位于美国两个州的两台LIGO探测器的激光束长度为4公里 , 位于意大利比萨附近的激光干涉Virgo探测器的激光束“臂长”为3公里 , 位于德国汉诺威的GE0的激光束长度为600米 , 位于日本东京的AMA300的激光束长度为300米 。 经过技术升级的LIGO探测器的灵敏度有了明显提升 , 从2015年9月开始到现在 , 合作团队已探测到多个引力波信号 , 其中包括由双黑洞合并、双中子星合并、一个黑洞呑并一颗中子星的天体事件产生的引力波 。
致密性天体的合并事件发出强大的引力波辐射 , 但这些合并事件都发生在距离地球非常遥远的地方 , 当引力波辐射到达地球时已变得非常微弱 。 物理学家将引力波理解为时空纤维的波动 , 用时空纤维波动在空间尺度的变化表示引力波的强度 。 LIGO合作团队首次探测的引力波的空间尺度变化值为10^-22 , LIGO4公里长的激光束仅发生了极其微小的扰动 , 长度的变化值只有质子半径的大约千分之一 , 精密性的激光干涉仪揭示了引力波探测的难度性 , 在爱因斯坦在世和去世后的很长时间 , 量子理论得到了快速发展 , 但在缺少量子技术突破的时代条件下 , 科学家无法探测极其微弱的引力波信号 。
两个黑洞、两个中子星、一个黑洞和一个中子星的合并事件产生了相当于几个太阳质量的损失 , 质量的亏损转化为剧烈波动的引力波辐射 。 从遥远的引力波源到地球表现为引力辐射的递减现象 , 反之 , 从地球到遥远的引力波源表现为引力辐射的递增现象 。 以科学哲学的递减原理或递增原理进行分析 , 地球处在致密天体的引力波辐射和太阳电磁波辐射的安全距离 , 地球处在太阳光辐射的宜居带 , 黑洞和中子星的引力辐射都远离了地球 。
抽象思维的科学和具象思维的艺术不一定是“风牛马不相及”的两个领域 , 对科学事物的认知可以转化为艺术感知 , 反之 , 对艺术事物的感知可以转化为科学认知 。 科学家把探测电磁波的方式说成是“看到”电磁波 , 把探测引力波的方式说成是“听到”引力波 。 2015年9月14日 , 在经过数十年的艰难搜索之后 , LOGO国际合作团队首次探测到一个双黑洞合并的引力波事件GW150154 , 科学家把引力波信号制成了横轴为时间、纵轴为频率的坐标图 , 频率随着时间的延长而增加 , 频率的增加表明了两个黑洞的相互靠近 , 彼此绕转的速率越来越大 , 直到合并过程的终止 , 科学家把引力波频率转化为人们熟悉的声音频率 , “引力波之声”好似鸟叫的啁啾声 。
人们用眼睛“看”周围物体反射的可见光 , 用望远镜“看”发出各种波段电磁信号的宇宙天体 , 而引力波天文学家用耳朵“聆听”引力波发出的美妙乐曲 。 用眼睛“看”光波传递的宇宙信息 , 用耳朵“听”引力波传递的宇宙信息 , 光波的“看”可以转化为视觉的艺术 , 引力波的“听”可以转化为声音的艺术 , 科学和艺术借助了同样的媒介物 , 表现了不同形式的事物 。 过去的天体艺术家将天体运行和宇宙大爆炸的电磁波频率转化为声音频率 , 创作了天体和宇宙“大合唱”的优美旋律 , 根据科学和艺术转换论的等效原理或等效论的转换原理 , 我们可以预言 , 今后的天体艺术家将把不同波段的引力波频率转化为声音频率 , 创作属于引力波信使的“天籁之音” 。

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