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第I卷阅读题 甲必考题

一、现代文阅读（9分，每小题3分） 阅读下面的文字，完成1——3题。

爱因斯坦引力波被证实：弯曲时空平行宇宙或可被发现！

爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测，并且他从未相信过黑洞的存在。不过，我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。通过这项发现，我们人类开启了一场波澜壮阔的新旅程：一场对于探索宇宙那弯曲的一面（从弯曲时空而产生的事物和现象）的旅程。

1915年，爱因斯坦发表了场方程，建立了广义相对论。1974年脉冲双星PSR1913+16的发现证实了致密双星系统的引力辐射完全与广义相对论的预言一致。2016年2月11日，LSC（LIGO科学合作组织，LIGO Scientific Collaboration）向全世界宣布：人类首次直接探测到了引力波，并且首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。

在这一百年里，被誉为“人类认知自然最伟大的成就” 的广义相对论，一直在成长中：我们知道了时空的弯曲以及一些由时空弯曲可能产生的奇异事物，比如黑洞、引力波、奇点、虫洞甚至时间机器。在过去历史中的某些时期，甚至现在，其中有些事物被不少物理学家视为洪水猛兽般的怪物，对它们是否存在提出过强烈的怀疑。就连爱因斯坦本人直到逝世前都还在怀疑黑洞的存在。曾经同样的黑洞怀疑论者惠勒，后来却成为了黑洞存在的支持者和宣传者。历史告诉我们，我们对时间、空间和时空弯曲所产生的事物的认知，会发生革命。

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引力波作为广义相对论的重要预言，直到在上个世纪60年代，其存在性也仍被不少物理学家质疑过。在之后的漫长岁月里，几代物理学家付出了无数努力，可这神秘的引力波却一直没有被发现。

北京时间2015年9月14日17点50分45秒，激光干涉仪引力波天文台（以下简称LIGO）分别位于美国路易斯安那州的利文斯顿（Livingston）和华盛顿州的汉福德（Hanford ）的两个的探测器，观测到了一次置信度高达5．1倍标准差的引力波事件：GW150914。根据LIGO的数据，该引力波事件发生于距离地球十几亿光年之外的一个遥远星系中。两个分别为36和29太阳质量的黑洞，并合为62太阳质量黑洞，双黑洞并合最后时刻所辐射的引力波的峰值强度比整个可观测宇宙的电磁辐射强度还要高十倍以上。详细结果将在近日发表于物理评论快报（Phys．Rev．Lett．， 116， 061102）。这项非凡的发现标志着天文学已经进入新的时代，人类从此打开了一扇观测宇宙的全新窗口。

广义相对论告诉我们：在非球对称的物质分布情况下，物质运动，或物质体系的质量分布发生变化时，会产生引力波。在宇宙中，有时就会出现如致密星体碰撞并合这样极其剧烈的天体物理过程。过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空，扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去。因此引力波的本质就是时空曲率的波动，也可以唯美地称之为时空的“涟漪”。

在过去的六十年里，有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了无数努力。其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据——脉冲双星PSR1913+16。1974年，美国物理学家家泰勒（Joseph Taylor）和赫尔斯（Russell Hulse）利用射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星，利用它的精确的周期性射电脉冲信号，我们可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时它们轨道的半长轴以及周期。根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此绕旋时，该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量，所以系统总能量会越来越少，轨道半径和周期也会变短。

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泰勒和他的同行在之后的30年时间里面对PSR1913+16做了持续观测，观测结果精确地按广义相对论所预测的那样：周期变化率为每年减少76．5微秒，半长轴每年缩短3．5米。广义相对论甚至还可以预言这个双星系统将在3亿年后合并。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据，是对广义相对论引力理论的一项重要验证。泰勒和赫尔斯因此荣获1993年诺贝尔物理学奖。

在实验方面，第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯（Joseph Weber）。早在上个世纪50年代，他第一个充满远见地认识到，探测引力波并不是没有可能。最终，韦伯选择了一根长2米，直径0．5米，重约1吨的圆柱形铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器，被业内称为共振棒探测器。虽然共振棒探测器最后没有找到引力波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河。

到了70年代，麻省理工学院的韦斯（Rainer Weiss）以及马里布休斯实验室的佛瓦德（Robert Forward），分别建造了引力波激光干涉仪。到了70年代后期，这些干涉仪已经成为共振棒探测器的重要替代者。

引力波激光干涉仪的基本思想可以简单理解为有四个测试质量被悬挂在天花板上，一束单色、频率稳定的激光从激光器发出，在分光镜上被分为强度相等的两束，一束经分光镜反射进入干涉仪的X臂，另一束透过分光镜进入与其垂直的另一Y臂。经过末端测试质量反射，两束光返回，并在分光镜上重新相遇，产生干涉。我们可以通过调整X、Y臂的长度，控制两束光是相消的，此时光子探测器上没有光信号。当有引力波从垂直于天花板的方向进入之后，会对两臂中的一臂拉伸，另一臂压缩，从而两束光的光程差发生了变化，原先相干相消的条件被破坏，探测器端的光强就会有变化，以此得到引力波信号。激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见：首先，激光干涉仪可以探测一定频率范围的引力波信号；其次，激光干涉仪的臂长可以做的很长，比如地面引力波干涉仪的臂长一般在千米的量级，远远超过共振棒。

2015年9月14日引力波的发现是科学史上的里程碑。这一非凡的成就，凝

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