LIGO 如何发现了引力波,及其未来的用途
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0:02 - 0:06在 1915 年,也就是 100 多年前,
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0:06 - 0:10爱因斯坦发表了他的相对论理论,
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0:10 - 0:12这个理论的名字虽然听起来很奇怪,
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0:12 - 0:15但是它解释了万有引力。
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0:15 - 0:20该理论指出,所有物质(包括星球)
都会互相吸引, -
0:20 - 0:24这并不是由于牛顿所提出的瞬时力,
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0:24 - 0:28而是因为所有的事物——
包括我们人类以及所有的星球—— -
0:28 - 0:33使富有弹性的时空结构出现了褶皱。
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0:33 - 0:37我们活在时空中,
时空联系了我们所有的人, -
0:38 - 0:43这种感觉就像我们躺在床垫上,
使其发生了形变。 -
0:44 - 0:49再次重申,万物运动
不是依照牛顿的法则, -
0:49 - 0:53而是因为它们之间有时空曲率,
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0:53 - 0:56它们按照这些平滑的曲线运动。
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0:56 - 0:59就好像床垫轻微陷了下去,
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0:59 - 1:02使枕边人向我们靠近了一样。
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1:02 - 1:04(笑声)
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1:05 - 1:08一年以后的 1916 年,
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1:08 - 1:12爱因斯坦从他的理论中得出:
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1:12 - 1:16引力波是存在的,
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1:16 - 1:19当万物移动的时候就会产生引力波。
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1:19 - 1:24比如,当两颗恒星围着彼此旋转
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1:24 - 1:29并在时空中产生褶皱,
这些褶皱携带着来自系统的能量, -
1:29 - 1:32这两颗恒星就会互相靠近。
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1:32 - 1:35不过,他也预计
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1:35 - 1:40这种作用力太微小,
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1:40 - 1:42不大可能对其进行测量。
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1:43 - 1:46但我想告诉各位的是,
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1:46 - 1:52经过多个国家上百名科学家
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1:52 - 1:54数十载的埋头钻研,
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1:54 - 1:58终于,在 2015 年,
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1:58 - 2:03我们首次观测到了引力波。
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2:04 - 2:06这是个漫长的故事,
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2:07 - 2:12一切从 13 亿年前开始。
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2:13 - 2:16很久很久以前,
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2:16 - 2:19在一个非常非常遥远的星系——
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2:19 - 2:21(笑声)
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2:21 - 2:26两个黑洞相互围绕着对方转动,
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2:26 - 2:29用我自己的话说,就像在“跳探戈舞”一样。
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2:29 - 2:31刚开始速度很慢,
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2:31 - 2:34但随着它们不断释放引力波,
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2:34 - 2:37开始加速接近对方,
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2:37 - 2:40直至彼此都以光速转动,
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2:40 - 2:44最终融合成一个黑洞,
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2:44 - 2:47它的质量是太阳的 60 倍,
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2:47 - 2:52但却被压缩进了
只有 360 公里大小的空间, -
2:52 - 2:55相当于我所居住的
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2:55 - 2:56路易斯安那州的面积。
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2:57 - 3:02这个奇妙的作用产生的引力波
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3:02 - 3:08把黑洞融合的消息
传递到了宇宙的其他角落。 -
3:10 - 3:17我们花了很长时间才发现了引力波,
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3:17 - 3:24因为我们必须找出距离的变化
才能测量引力波。 -
3:24 - 3:27我们想要测量经度和距离。
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3:27 - 3:30当引力波在 2015 年
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3:30 - 3:32经过地球,
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3:33 - 3:37它们改变了所有的距离——
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3:37 - 3:40包括你们所有人,
以及你们和我之间的距离, -
3:40 - 3:42还有我们的高度——
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3:42 - 3:45我们每个人的尺寸
都缩放了一点点。 -
3:46 - 3:50科学家预测其变化与距离成正比。
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3:51 - 3:53但这种变化很小:
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3:53 - 3:58即使是比我那微不足道的身高
变化大许多的距离, -
3:58 - 4:01其变化也是极微小的。
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4:01 - 4:06假如地球和太阳之间的距离
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4:06 - 4:10仅发生了一个原子直径那么小的改变,
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4:11 - 4:13我们能够测量到这个变化吗?
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4:13 - 4:15应该怎样进行测量呢?
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4:17 - 4:1950 年前,
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4:19 - 4:23加州理工学院和麻省理工学院的
一些有远见的物理学家—— -
4:23 - 4:26基普·索恩(Kip Thorne)、罗纳德·德瑞福
(Ron Drever)和莱纳·魏斯(Rai Weiss)—— -
4:26 - 4:30认为可以利用激光来测量
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4:30 - 4:35相距几公里远的镜子间的距离,
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4:35 - 4:38从而精确地测量出引力波,
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4:38 - 4:42这个项目花费了许多年,
无数的科学家做了大量的工作, -
4:43 - 4:46不断研发技术和细化想法。
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4:46 - 4:48然后二十年过去了,
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4:48 - 4:51大约在三十年前,
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4:51 - 4:57他们开始在美国建立两个
巨大的引力波探测器 -
4:57 - 4:59和两个干涉仪。
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4:59 - 5:03每一台仪器都有 4000 米长,
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5:03 - 5:08一台位于路易斯安那州利文斯顿
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5:08 - 5:10一片美丽的森林中,
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5:11 - 5:14另一台位于华盛顿州汉福德的
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5:14 - 5:16一片沙漠之中。
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5:17 - 5:20干涉仪有激光发射器,
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5:20 - 5:24激光从仪器中心发射出去,
穿过 4000 米的真空, -
5:24 - 5:27再被镜子反射回来。
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5:27 - 5:30我们测量两臂之间
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5:30 - 5:32距离的差值。
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5:33 - 5:37这些探测器都非常非常灵敏,
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5:37 - 5:40是世界上最精确的仪器。
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5:41 - 5:43那么我们为什么要制造两台呢?
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5:43 - 5:48这是因为我们要测量的信号来自太空,
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5:48 - 5:51但是镜子却总是在移动,
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5:51 - 5:55所以为了区分引力波效应——
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5:55 - 5:59这是天体物理效应,
应该会出现在两个探测器上—— -
5:59 - 6:02我们可以把引力波
和局部效应区分开来, -
6:02 - 6:05并体现在其中一个探测仪上。
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6:07 - 6:102015 年 9 月,
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6:10 - 6:15我们在探测仪上
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6:15 - 6:17完成了第二代技术的安装,
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6:17 - 6:22但是我们仍未取得最佳的灵敏度——
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6:22 - 6:25——即使是两年后的今天也没有——
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6:25 - 6:28但是我们迫不及待地想要收集数据。
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6:28 - 6:30我们不认为自己能够有什么发现,
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6:30 - 6:33但是我们已经准备好
收集相当于几个月的数据。 -
6:34 - 6:37然后,大自然震惊了我们。
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6:37 - 6:42在 2015 年的 9 月 14 日,
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6:42 - 6:45我们在两个探测器中
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6:45 - 6:47都发现了一条引力波。
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6:47 - 6:50在两个探测器中,
我们都检测到了一条信号, -
6:50 - 6:53振幅和频率
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6:53 - 6:54呈周期性增减。
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6:54 - 6:57两台探测器探测到的信号都是一样的。
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6:57 - 6:59它们就是引力波!
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7:00 - 7:05而且不仅如此——在分析这种波形的同时,
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7:05 - 7:09我们能够判断,它们来自于
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7:09 - 7:11十亿年前几个黑洞
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7:11 - 7:14融合产生的黑洞。
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7:16 - 7:17那真的是——
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7:17 - 7:23(掌声)
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7:24 - 7:26那真是非常奇妙。
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7:27 - 7:30最初,我们都无法相信这个事实。
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7:30 - 7:34过了很久我们才回过神来。
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7:34 - 7:37对我们来说,这是一个惊喜。
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7:37 - 7:39我们花费了数月的时间说服自己,
我们真的探测到了引力波, -
7:39 - 7:42因为我们不想有任何地方出错。
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7:43 - 7:46这的确是真的,而且为了确保
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7:46 - 7:49探测器真的能够测量这些信号,
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7:49 - 7:51在同年的十二月,
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7:51 - 7:54我们又测量到了另一个引力波,
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7:54 - 7:55比首次探测到的要小。
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7:55 - 7:59首次探测的引力波
在 4000 米的距离内产生了 -
7:59 - 8:02相当于千分之四个
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8:03 - 8:04质子大小的差距。
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8:04 - 8:07是的,虽然第二次
探测信号比第一次要微弱, -
8:07 - 8:11但是以我们的标准,
这一结果仍然十分具有说服力。 -
8:13 - 8:18尽管这实际上是
时空波而不是声波, -
8:18 - 8:22我们依旧喜欢把它们
转换成声音信号,去聆听它们。 -
8:22 - 8:25我们管它叫作“宇宙的旋律”。
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8:26 - 8:31我想让大家听一听
这段旋律的前两个音符。 -
8:31 - 8:33(鸣声)
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8:34 - 8:37(鸣声)
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8:37 - 8:39第二个较为短促的声音是
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8:39 - 8:43在两个黑洞融合的
最后一秒内产生的, -
8:43 - 8:48在那一瞬间,
它们释放出了巨大的能量—— -
8:48 - 8:55其规模相当于三个太阳
全部转化成的能量, -
8:55 - 8:57遵循那道著名的方程:
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8:57 - 8:58E = mc^2。
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8:58 - 9:00还记得这个吗?
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9:00 - 9:06我们太喜欢这段旋律了,
还伴着它跳了段舞。 -
9:06 - 9:09我们再听一遍。
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9:11 - 9:13(鸣声)
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9:15 - 9:16(鸣声)
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9:17 - 9:19这就是宇宙的旋律!
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9:19 - 9:23(掌声)
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9:23 - 9:26人们现在经常问我:
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9:26 - 9:29“引力波究竟有什么用?
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9:29 - 9:34既然你们现在已经探测到了引力波,
下一步要做什么?” -
9:34 - 9:37引力波可以被用来做什么呢?
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9:38 - 9:42当他们问博尔赫斯(Jorge Luis Borges,
阿根廷作家、诗人),“诗存在的意义是什么?” -
9:42 - 9:44他回答道:
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9:44 - 9:46“绘画的意义是什么?
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9:46 - 9:48爱抚的意义是什么?
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9:48 - 9:50咖啡香味的意义又是什么?”
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9:51 - 9:52他还说:
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9:52 - 9:58“诗的意义是为了美好、
是为了感情、为了生活而存在的。” -
10:00 - 10:01这一点与了解宇宙——
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10:01 - 10:05出于人类渴望了解
万物如何运作的好奇心, -
10:05 - 10:06是相似的。
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10:07 - 10:13自古以来,人类——
在我们每一个人还是孩子的时候—— -
10:13 - 10:17当我们第一次仰望星空,
看到那些星星的时候, -
10:17 - 10:18我们会好奇:
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10:18 - 10:19“星星是什么?”
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10:20 - 10:23正是这种好奇造就了人类。
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10:23 - 10:26这也是我们研究科学的原因。
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10:28 - 10:34我们认为,引力波的意义在于,
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10:34 - 10:38我们打开了一条新的探索宇宙的通道。
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10:38 - 10:42在那以前,我们只能通过电磁波
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10:42 - 10:45看到来自恒星的光芒。
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10:45 - 10:50而现在,我们却可以
听到来自宇宙的声音, -
10:50 - 10:54甚至是那些不会发光的东西,
比如引力波。 -
10:56 - 10:57(掌声)
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10:57 - 10:58谢谢大家!
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10:58 - 11:02(掌声)
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11:02 - 11:04但是它们到底有什么用呢?
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11:04 - 11:09我们能借助引力波
发展一些新的科技吗? -
11:10 - 11:11是的,或许可以。
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11:11 - 11:14但是这可能会花费更久的时间,
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11:14 - 11:16我们已经开发了探测引力波的技术,
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11:16 - 11:18但是对于引力波本身,
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11:18 - 11:23也许我们 100 年后
才会发现它们的真正用途。 -
11:23 - 11:27但是把科学转变成技术
会花费很久的时间, -
11:27 - 11:28这也并不是我们做这些事的原因。
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11:28 - 11:31所有的科技都是
从科学中发展出来的, -
11:31 - 11:34但是我们从事科学是为了享受。
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11:35 - 11:37那剩下还有什么要做的?
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11:37 - 11:39还有很多。
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11:39 - 11:42太多了,这还只是一个开始。
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11:43 - 11:46随着我们把探测器做得越来越精确——
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11:46 - 11:48我们仍有很多的工作需要做——
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11:48 - 11:50我们不仅会发现更多的黑洞,
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11:50 - 11:54并且能够去分类总结——
究竟有多少,在哪里, -
11:54 - 11:56尺寸究竟有多大;
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11:56 - 11:59我们还将能观测到其它的物质:
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11:59 - 12:05我们会观测到
中子星融合并转化为黑洞 -
12:05 - 12:08以及黑洞的诞生过程;
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12:08 - 12:11银河系里旋转的恒星
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12:11 - 12:13产生的正弦波;
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12:13 - 12:19银河系中超新星的爆炸。
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12:19 - 12:23我们还将会看到新事物的完整波谱。
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12:24 - 12:25我们认为,
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12:26 - 12:29我们为人类增加了一种新的感官:
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12:29 - 12:31除了视觉,
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12:31 - 12:33我们还能够去聆听。
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12:33 - 12:37这是天文学的一次革命,
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12:37 - 12:40就像伽利略发明了天文望远镜一样。
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12:41 - 12:44就像人们把声音
加入了无声电影中一样。 -
12:45 - 12:48这一切仅仅只是个开始。
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12:49 - 12:51我们也认为,
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12:52 - 12:58通向科学的道路仍旧十分漫长——
尽管非常有趣,但也很长—— -
12:58 - 13:04同时,我们这个庞大的、
由来自众多国家的科学家组成的 -
13:04 - 13:07国际组织,会齐心协力
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13:07 - 13:09帮助建设那条道路:
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13:10 - 13:14我们正在照亮前路——
尽管有时会遇到艰难险阻—— -
13:14 - 13:17并且建设一条可能是
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13:17 - 13:19通向宇宙的高速公路。
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13:20 - 13:21谢谢大家!
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13:21 - 13:26(掌声)
- Title:
- LIGO 如何发现了引力波,及其未来的用途
- Speaker:
- 加布艾拉·冈萨雷斯
- Description:
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在爱因斯坦预测引力波——由强烈的宇宙碰撞引起时空出现的涟漪——超过 100 年后,LIGO 科学家用极精准的大型探测仪证实了它们的存在。 国际合作机构 LIGO 的天文物理学家加布艾拉·冈萨雷斯(Gabriela González)为我们介绍了这项获得诺贝尔奖的神奇发现是怎样诞生的,又将如何影响我们对宇宙的理解。
- Video Language:
- Spanish
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 13:39