引力波是电磁波吗

引力波和电磁波到底这两者之间有着怎样的关系?而对于引力波又是什么来的呢,对此引力波是什么?引力波是电磁波到底如何?下面一起来看看吧。

有个说法说,引力波就是电磁波,而这两者之间的区别真的一样吗?而对于这种说法,你也认同吗,对此引力波是电磁波吗到底如何?下面一起来看看吧。

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引力波

引力波是什么?引力波是电磁波

引力波是电磁波吗

物理概念

引力波是不是电磁波

引力波是什么

本词条是多义词,共 2个义项

什么是引力波

在物理学中,引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年
,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果,因为它引入了引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下,引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中,因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。

定义

在讲引力波之前,我们先说说大家更为熟知的电磁波。

美高梅网络游戏网址 ,各种各样的引力波探测器正在建造或者运行当中,比如 advanced
LIGO从2015年9月份开始运行观测。

探测历史

100
多年前人类发现了电磁波,后来我们拥有了微波炉、手机信号、WIFI和GPS定位系统。

可能的引力波探测源包括致密双星系统(白矮星,中子星和黑洞)。在2016年2月11日,LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器,已经首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号

中国引力波探测

和电磁波类似,就万有引力的认识,爱因斯坦这个科学巨人认为牛顿之前的理解太naive,在爱因斯坦的相对论中,认为万有引力是一种跟电磁波一样的波动,称为引力波。

2016年6月16日凌晨,LIGO合作组宣布:2015年12月26日03:38:53
,位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号;这是继
LIGO
2015年9月14日探测到首个引力波信号之后,人类探测到的第二个引力波信号。

宇宙引力波源

牛顿啊,你还是too young too simple,sometimes naive!

引力波的探测历史

天文意义

如果无法想象理解我们换个说法。爱因斯坦认为引力是由于时空的扭曲产生的。

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,美国麻省大学的物理学家家泰勒(Joseph
Taylor)教授和他的学生赫尔斯(Russell
Hulse)利用美国的308米射电望远镜,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他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。

社会影响

就像是一个铁球放在一块平铺的毯子上。球放上去,毯子中间会凹陷进去,铁球越重,凹陷就会越厉害。

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。到目前为止,类似的双中子星系统只已经发现了将近10个。但是此次发布会中的双黑洞系统却从来没被发现过,是首次。

在物理学中,引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年
,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果,因为它引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下,引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中,因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。

而如果这个铁球是运动的,凹陷这个状态便会向周围传播开去,就像是平静的水池里丢进了一颗小石头。那么,如果有两个这样的铁球相互旋转,跳跃,我闭着眼呢?

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。从1957年到1959年,韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。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:当引力波到来时,会交错挤压和拉伸铝棒两端,当引力波频率和铝棒设计频率一致时,铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有很明显的局限性,比如它的共振频率是确定的,虽然我们可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。但是对于同一个探测器,只能探测其对应频率的引力波信号,如果引力波信号的频率不一致,那该探测器就无能为力。此外,共振棒探测器还有一个严重的局限性:引力波会产生时空畸变,探测器做的越长,引力波在该长度上的作用产生的变化量越大。韦伯的共振帮探测器只有2米,强度为1E-21的引力波在这个长度上的应变量实在太小,对上世纪五六十年代的物理学家来说,探测如此之小的长度变化是几乎不可能的。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波,但是韦伯开创了引力波实验科学的先河,在他之后,很多年轻且富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。

各种各样的引力波探测器正在建造或者运行当中,比如 advanced
LIGO(aLIGO)从2015年9月份开始运行观测。

就像上图所示,那种凹陷的状态会以波的形式向外传递开去。起伏,震颤,波浪你可以用各种各样的词形容你在上图看到的时空扰动。这种变化以波的形式向外传播,用听起来很厉害的说法讲,就是引力波,换文艺点的说法讲,就是时空的涟漪。

在韦伯设计建造共振棒的同时期,有部分物理学家认识到了共振棒的局限性,然后就有了前面提到的有基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波激光干涉仪探测方案。它是由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)在70年代建成。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。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。

可能的引力波探测源包括致密双星系统。在2016年2月11日,LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器,已经首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号。

但是,爱因斯坦当时这个想法并没有得到广泛认可和证实。

除过我们刚刚提到的aLIGO,
还有众多的其他引力波天文台。位于意大利比萨附近,臂长为
3千米的VIRGO;德国汉诺威臂长为600米的GEO;日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器曾在2002年至2011年期间共同进行观测,但并未探测到引力波。所以之后这些探测器就进行了重大升级,两个高新LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测,而高新VIRGO(升级后的VIRGO)也将于2016年年底开始运行。日本的项目TAMA300进行了全面升级,将臂长增加到了3公里,改名为叫KAGRA,预计2018年运行。

2016年6月16日凌晨,LIGO合作组宣布:2015年12月26日03:38:53
,位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号;这是继
LIGO
2015年9月14日探测到首个引力波信号之后,人类探测到的第二个引力波信号。

引力波有什么用

因为在地面上很容易受到干扰,所以物理学家们也在向太空进军。欧洲的空间引力波项目eLISA(演化激光干涉空间天线)。eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角形,同样使用激光干涉法来探测引力波。此项目已经欧洲空间局通过批准,正式立项,目前处于设计阶段,计划于2034年发射运行。作为先导项目,两颗测试卫星已经于2015年12月3日发射成功,目前正在调试之中。中国的科研人员,在积极参与目前的国际合作之外之外,也在筹建自己的引力波探测项目。
推荐阅读:世界最大的咸水湖

2017年10月16日,全球多国科学家同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。
2017年12月,入选“汉语盘点2017”活动年度候选字词五大候选国际词。

首先明确一点,它不能吃,嗯。

引力波是不是电磁波

中文名引力波英文名Gravitational wave其他外文名Gravity
wave提出者美国马里兰大学教授J·韦伯提出时间1959年

然后,由于引力波与物质的相互作用非常弱,在传播途径中基本不会像电磁波那样容易发生衰减或散射,这意味着它们可以揭示一些宇宙角落深处的信息,例如宇宙诞生时形成的引力辐射至今仍然在宇宙间几乎无衰减地传播,这为直接观测大爆炸提供了仅有的可能。

什么是引力波

展开全部

我们可以通过引力波,去窥探宇宙最深处、最原始的奥秘了,甚至是看到宇宙的源头!

在讲引力波之前,我们先说说大家更为熟知的电磁波。

定义

当然,还有很重要的一点就是:证明爱因斯坦老爷子的猜想是对的!

100
多年前人类发现了电磁波,后来我们拥有了微波炉、手机信号、WIFI和GPS定位系统。

在爱因斯坦的广义相对论中,引力被认为是时空弯曲的一种效应。这种弯曲是因为质量的存在而导致。通常而言,在一个给定的体积内,包含的质量越大,那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候,曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下,加速物体能够对这个曲率产生变化,并且能够以波的形式向外以光速传播。这种传播现象被称之为引力波。

3我们怎么探测到它

和电磁波类似,就万有引力的认识,爱因斯坦这个科学巨人认为牛顿之前的理解太naive,在爱因斯坦的相对论中,认为万有引力是一种跟电磁波一样的波动,称为引力波。

当一个引力波通过一个观测者的时候,因为应变(strain)效应,观测者就会发现时候时空被扭曲。当引力波通过的时候,物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少,这个频率对于这了引力波的频率。这种效应的强度与产生引力波源之间距离成反比。绕转的双中子星系统被预测,在当它们合并的时候,是一个非常强的引力波源,由于它们彼此靠近绕转时所产生的巨大加速度。由于通常距离这些源非常远,所以在地球上观测时的效应非常小,形变效应小于1.0E-21。科学家们已经利用更为灵敏的探测器证实了引力波的存在。目前最为灵敏的探测是aLIGO,它的探测精度可以达到1.0E-22。更多的空间天文台(欧洲航天局的eLISA计划,中国的中国科学院太极计划,和中山大学的天琴计划)目前正在筹划当中。

引力波非常难以测量,因为当他们到达地球的时候已经变得非常非常非常弱了

牛顿啊,你还是too young too simple,sometimes naive!

引力波应该能够穿透那些电磁波不能穿透的地方。所以猜测引力波能够提供给地球上的观测者有关遥远宇宙中有关黑洞和其它奇异天体的信息。而这些天体不能够为传统的方式,比如光学望远镜和射电望远镜,所观测到,所以引力波天文学将给我们有关宇宙运转的新认识。尤其,引力波更为有趣的是,它能够提供一种观测极早期宇宙的方式,而这在传统的天文学中是不可能做到的,因为在宇宙再合并之前,宇宙对于电磁辐射是不透明的。所以,对于引力波的精确测量能够让科学家们更为全面的验证广义相对论。

但是,这没有难倒智慧勇敢的地球人!地球人发明了激光干涉测量的方法!

如果无法想象理解我们换个说法。爱因斯坦认为引力是由于时空的扭曲产生的。

引力波[物理概念]

简单地说通过测量两条激光束相遇的时候所形成的干涉图样的变化来探测引力波。这些图样依赖于激光束的传播距离,当引力波穿过时会引起激光束的传播距离微小变化,通过干涉图样的变化便可以看出来了。(嗯,如果你本科做过物理光学实验你懂的)

就像是一个铁球放在一块平铺的毯子上。球放上去,毯子中间会凹陷进去,铁球越重,凹陷就会越厉害。

图1:引力波谱;不同引力波源所对应的频率范围,周期。以及所对应的探测方式。

这种称之为激光干涉计的探测器的灵敏度,是与激光传播的距离成比例的。现在世界上有LIGO和GEO
600这两个工具,用来测量引力波即时空结构中的波动。因为探测器需要寻找的是很微弱的信号,所以需要
LIGO 和 GEO 的尺寸相当大。

而如果这个铁球是运动的,凹陷这个状态便会向周围传播开去,就像是平静的水池里丢进了一颗小石头。那么,如果有两个这样的铁球相互旋转,跳跃,我闭着眼呢?

通过研究引力波,科学家们能够区分最初宇宙奇点所发生的事情。原则上,引力波在各个频率上都有。不过非常低频的引力波是不可能探测到的,在非常高频的区域,也没有可靠的引力波源。霍金(Stephen
Hawking) 和 以色列 认为可能可以被探测到的引力波频率,应该在1.0E-7 Hz
到1E11Hz之间。

而宣布探测到引力波的那个家伙有多大呢?横竖都是4km,你们感受一下。

就像上图所示,那种凹陷的状态会以波的形式向外传递开去。起伏,震颤,波浪你可以用各种各样的词形容你在上图看到的时空扰动。这种变化以波的形式向外传播,用听起来很厉害的说法讲,就是引力波,换文艺点的说法讲,就是时空的涟漪。

引力波在不断的通过地球;然而,即使最强的引力波效应也是非常小的,并且这些源距离我们很远。比如GW150914在最后的剧烈合并阶段所长的引力波,在穿过13亿光年之后到达地球,最为时空的涟漪,也仅仅将LIGO的4公里臂长改变了一个质子直径的万分之一,也相当于将太阳系到

位于华盛顿州汉福德的一台LIGO。另一台LIGO在美国路易斯安那州的列文斯顿。图片来源:i2u2.org

但是,爱因斯坦当时这个想法并没有得到广泛认可和证实。

我们最近恒星之间距离改变了一个头发丝的宽度。这种及其微小的变化,如果不借用异常精密的探测器,我们根本是探测不到的。

但是即使是这样大的尺寸还显得很捉急,它每年能遇见的引力波事件大概在万分之一件到一件之间,你看这花了几十年才探测到一次。此生为了遇见你,愿花光我平生所有运气,这大概就是这群科学家们的最佳BGM4我们为啥这么鸡冻

引力波有什么用

引力波[物理概念]

美国LIGO的科学家说:“所有信号都与爱因斯坦100年前所做的预言完全吻合”。爱因斯坦,你真的不是上一个宇宙文明发配到地球指点迷津的??

首先明确一点,它不能吃,嗯。

图2:LIGO的两个观测站探测到了同一个引力波事件。上面为观测得到的曲线,下面是和理论相比较之后的拟合结果。

在电磁波被发现100多年以后的今天,引力波被找到了。它是唯一可以在高维时空中传递的波,引力波可以给我们提供我们宇宙几乎无阻挡的图景,而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如,利用引力波,我们可以看到宇宙的最早期,宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒开始的宇宙形成过程。

然后,由于引力波与物质的相互作用非常弱,在传播途径中基本不会像电磁波那样容易发生衰减或散射,这意味着它们可以揭示一些宇宙角落深处的信息,例如宇宙诞生时形成的引力辐射至今仍然在宇宙间几乎无衰减地传播,这为直接观测大爆炸提供了仅有的可能。

探测历史

可以想象,在《星际穿越》电影中的结尾之时,主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中,为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲,人为的制造引力波效应,成功将信息传递,从而人类得以解救。说不定在不远的将来,我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。

我们可以通过引力波,去窥探宇宙最深处、最原始的奥秘了,甚至是看到宇宙的源头!

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,美国麻省大学的物理学家家泰勒教授和他的学生赫尔斯利用美国的308米射电望远镜,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他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。

或者和科幻小说《三体》中描述的那样,引力波被人类用于星际通讯领域,小说里的幻想会变成现实吗?

当然,还有很重要的一点就是:证明爱因斯坦老爷子的猜想是对的!

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。到目前为止,类似的双中子星系统只已经发现了将近10个。但是此次发布会中的双黑洞系统却从来没被发现过,是首次。

也许你要说,哎,都是科学界的事儿,跟偶们好像没什么影响哦!

3我们怎么探测到它

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。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。从1957年到1959年,韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。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:当引力波到来时,会交错挤压和拉伸铝棒两端,当引力波频率和铝棒设计频率一致时,铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有很明显的局限性,比如它的共振频率是确定的,虽然我们可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。但是对于同一个探测器,只能探测其对应频率的引力波信号,如果引力波信号的频率不一致,那该探测器就无能为力。此外,共振棒探测器还有一个严重的局限性:引力波会产生时空畸变,探测器做的越长,引力波在该长度上的作用产生的变化量越大。韦伯的共振帮探测器只有2米,强度为1E-21的引力波在这个长度上的应变量(2E-21米)实在太小,对上世纪五六十年代的物理学家来说,探测如此之小的长度变化是几乎不可能的。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波,但是韦伯开创了引力波实验科学的先河,在他之后,很多年轻且富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。

大错特错!

引力波非常难以测量,因为当他们到达地球的时候已经变得非常非常非常弱了

在韦伯设计建造共振棒的同时期,有部分物理学家认识到了共振棒的局限性,然后就有了前面提到的有基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波激光干涉仪探测方案。它是由麻省理工学院的韦斯以及马里布休斯实验室的佛瓦德在70年代建成。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。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。

连两个黑洞都玩着玩着就在一起了,然后产生引力波发射到地球。这算不算有史以来,在情人节前夕对单身狗最猛烈的一次冲击?!

但是,这没有难倒智慧勇敢的地球人!地球人发明了激光干涉测量的方法!

除过我们刚刚提到的aLIGO,
还有众多的其他引力波天文台。位于意大利比萨附近,臂长为
3千米的VIRGO;德国汉诺威臂长为600米的GEO;日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器曾在2002年至2011年期间共同进行观测,但并未探测到引力波。所以之后这些探测器就进行了重大升级,两个高新LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测,而高新VIRGO也将于2016年年底开始运行。日本的项目TAMA300进行了全面升级,将臂长增加到了3公里,改名为叫KAGRA,预计2018年运行。

引力波

简单地说通过测量两条激光束相遇的时候所形成的干涉图样的变化来探测引力波。这些图样依赖于激光束的传播距离,当引力波穿过时会引起激光束的传播距离微小变化,通过干涉图样的变化便可以看出来了。(嗯,如果你本科做过物理光学实验你懂的)

因为在地面上很容易受到干扰,所以物理学家们也在向太空进军。欧洲的空间引力波项目eLISA。eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角形,同样使用激光干涉法来探测引力波。此项目已经欧洲空间局通过批准,正式立项,目前处于设计阶段,计划于2034年发射运行。作为先导项目,两颗测试卫星已经于2015年12月3日发射成功,目前正在调试之中。中国的科研人员,在积极参与目前的国际合作之外之外,也在筹建自己的引力波探测项目。

各种各样的引力波探测器正在建造或者运行当中,比如 advanced
LIGO从2015年9月份开始运行观测。

这种称之为激光干涉计的探测器的灵敏度,是与激光传播的距离成比例的。现在世界上有LIGO和GEO
600这两个工具,用来测量引力波即时空结构中的波动。因为探测器需要寻找的是很微弱的信号,所以需要
LIGO 和 GEO 的尺寸相当大。

2016年6月16日凌晨,LIGO合作组宣布:2015年12月26日03:38:53
,位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号;这是继
LIGO
2015年9月14日探测到首个引力波信号之后,人类探测到的第二个引力波信号[2]。

可能的引力波探测源包括致密双星系统(白矮星,中子星和黑洞)。在2016年2月11日,LIGO科学合作组织和Virgo合作团队宣布他们已经利用高级LIGO探测器,已经首次探测到了来自于双黑洞合并的引力波信号

而宣布探测到引力波的那个家伙有多大呢?横竖都是4km,你们感受一下。

中国引力波探测

2016年6月16日凌晨,LIGO合作组宣布:2015年12月26日03:38:53
,位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号;这是继
LIGO
2015年9月14日探测到首个引力波信号之后,人类探测到的第二个引力波信号。

位于华盛顿州汉福德的一台LIGO。另一台LIGO在美国路易斯安那州的列文斯顿。图片来源:i2u2.org

从爱因斯坦在1916年预测出引力波,到2015年LIGO获得直接观测证据,整整跨越了一百年。在这一过程中,中国科学家也在不断寻觅、追求。早在上世纪70年代,中国科学家就开始了引力波研究,可惜因种种原因停滞了十几年,造成了人才断层。直到2008年,在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,中科院空间引力波探测工作组成立,引力波的中国研究再启征程。

在物理学中,引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年
,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果,因为它引入了引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下,引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中,因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。推荐阅读:土星的光环解密:土星为什么有光环

但是即使是这样大的尺寸还显得很捉急,它每年能遇见的引力波事件大概在万分之一件到一件之间,你看这花了几十年才探测到一次。此生为了遇见你,愿花光我平生所有运气,这大概就是这群科学家们的最佳BGM4我们为啥这么鸡冻

目前,我国主要有三个大型引力波探测项目,一个是由中科院胡文瑞院士和吴岳良院士作为首席科学家的太极计划,它非常类似于欧洲eLISA计划。另外一个太空计划是由中山大学罗俊院士领衔的“天琴计划”,相比较太极,它将位于地球之上的10万公里轨道处,三个卫星的间距也是大约在10万公里之上。第三个是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”,阿里实验计划是在计划在我国西藏的阿里地区放置一个小型但具有大视场的射电望远镜,从地面上聆听原初引力波的音符。这些项目现在预研阶段。

引力波的探测历史

美国LIGO的科学家说:“所有信号都与爱因斯坦100年前所做的预言完全吻合”。爱因斯坦,你真的不是上一个宇宙文明发配到地球指点迷津的??

这些探测都是利用激光干涉的方式。而我们的宇宙本身就已经“创造”出了一种探测工具

毫秒脉冲星,它们是大质量恒星发生超新星爆炸形成的高速旋转的致密天体。这些旋转极其稳定的天体是自然界中最精确的时钟。这些极其稳定的恒星是自然界中最精确的时钟,像灯塔一样每“滴答”一次就向地球扫过一组信号。引力波可以通过虽然非常细微,但还是能够察觉到的时间涨落而探测到。这就是脉冲星计时的方法。中国正在建设的500米口径望远镜,以及国际上正在建设的平方公里阵(SKA)射电望远镜,都将监测脉冲星,从而探测引力波的存在。

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,美国麻省大学的物理学家家泰勒(Joseph
Taylor)教授和他的学生赫尔斯(Russell
Hulse)利用美国的308米射电望远镜,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他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。

在电磁波被发现100多年以后的今天,引力波被找到了。它是唯一可以在高维时空中传递的波,引力波可以给我们提供我们宇宙几乎无阻挡的图景,而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如,利用引力波,我们可以看到宇宙的最早期,宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒开始的宇宙形成过程。

宇宙引力波源

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。到目前为止,类似的双中子星系统只已经发现了将近10个。但是此次发布会中的双黑洞系统却从来没被发现过,是首次。

可以想象,在《星际穿越》电影中的结尾之时,主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中,为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲,人为的制造引力波效应,成功将信息传递,从而人类得以解救。说不定在不远的将来,我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。

那么在我们的宇宙当中,什么样的天体才能够撼动产生可以探测到的引力波呢?对于地面上的探测器,通过认为下面的四种可以产生:

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。从1957年到1959年,韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中。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:当引力波到来时,会交错挤压和拉伸铝棒两端,当引力波频率和铝棒设计频率一致时,铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有很明显的局限性,比如它的共振频率是确定的,虽然我们可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。但是对于同一个探测器,只能探测其对应频率的引力波信号,如果引力波信号的频率不一致,那该探测器就无能为力。此外,共振棒探测器还有一个严重的局限性:引力波会产生时空畸变,探测器做的越长,引力波在该长度上的作用产生的变化量越大。韦伯的共振帮探测器只有2米,强度为1E-21的引力波在这个长度上的应变量实在太小,对上世纪五六十年代的物理学家来说,探测如此之小的长度变化是几乎不可能的。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波,但是韦伯开创了引力波实验科学的先河,在他之后,很多年轻且富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。

或者和科幻小说《三体》中描述的那样,引力波被人类用于星际通讯领域,小说里的幻想会变成现实吗?

旋进(In-spiral)或者合并的致密星双星系统。比如中子星或者黑洞的双星系统。非常类似于发布会当中的系统。

在韦伯设计建造共振棒的同时期,有部分物理学家认识到了共振棒的局限性,然后就有了前面提到的有基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波激光干涉仪探测方案。它是由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)在70年代建成。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。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。

也许你要说,哎,都是科学界的事儿,跟偶们好像没什么影响哦!

快速旋转的致密天体。这类天体会通过周期性的引力波辐射损失掉角动量,它的信号的强度会随着非对称的程度增加而增加。可能的候选体包括非对称的中子星之类的。

除过我们刚刚提到的aLIGO,
还有众多的其他引力波天文台。位于意大利比萨附近,臂长为
3千米的VIRGO;德国汉诺威臂长为600米的GEO;日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器曾在2002年至2011年期间共同进行观测,但并未探测到引力波。所以之后这些探测器就进行了重大升级,两个高新LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测,而高新VIRGO(升级后的VIRGO)也将于2016年年底开始运行。日本的项目TAMA300进行了全面升级,将臂长增加到了3公里,改名为叫KAGRA,预计2018年运行。

大错特错!

随机的引力波背景。非常类似于我们通常熟知的宇宙背景辐射,这一类背景引力波,也通常叫做原初引力波,它是早期宇宙暴涨时的遗迹。2014年由加州理工、哈佛大学等几个大学的研究人员所组成的BICEP2团队曾宣称利用南极望远镜找到了原初引力波,但是后来证实为银河系尘埃影响的结果。原初引力波的探测将是对暴胀宇宙模型的直接验证,对于它的探测依旧在努力寻找之中。

因为在地面上很容易受到干扰,所以物理学家们也在向太空进军。欧洲的空间引力波项目eLISA(演化激光干涉空间天线)。eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角形,同样使用激光干涉法来探测引力波。此项目已经欧洲空间局通过批准,正式立项,目前处于设计阶段,计划于2034年发射运行。作为先导项目,两颗测试卫星已经于2015年12月3日发射成功,目前正在调试之中。中国的科研人员,在积极参与目前的国际合作之外之外,也在筹建自己的引力波探测项目。推荐阅读:关于土星的探究:土星能住人吗

连两个黑洞都玩着玩着就在一起了,然后产生引力波发射到地球。这算不算有史以来,在情人节前夕对单身狗最猛烈的一次冲击?!
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超新星或者伽马射线暴爆发。恒星爆发时非对称性动力学性质也会产生引力波。而直接探测到来自于这些天体的引力波,将是提供对这些天体最直接而且最内部的信息。

以上的天体都能够产生地面探测器所探测到的引力波信号。还有一类天体,也能够产生比较较强的引力波,只是产生的频率比较低而已。

超大质量黑洞。在星系的中心,我们知道会有一个超大质量黑洞的存在。星系在演化的过程当中,会彼此合并,所以在某些星系中间,会有两个黑洞。非常类似于LIGO所探测到的双恒星级黑洞,这两个双黑洞在绕转和最终的合并的之时,也会产生很强的引力波。这种引力波可以利用空间探测器来探测。

天文意义

在过去的一个世纪,因为新的观测宇宙的方法使用,天文学已经发生了改革性的变化。天文观测最初使用可见光。400多年前,伽利略最早使用望远镜进行观测。然而,可见光仅仅是电磁波谱上的一小部分,在遥远的宇宙中,并非所有的天体会在这个特别的波段产生很强的辐射,比如,更有用的信息或许可以在射电波段得到。利用射电望远镜,天文学家们已经发现了脉冲星,类星体以及其他的一些极端天体现象,将我们对一些物理的认识推向了极限。利用伽马射线,X射线,紫外,和红外观测,我们也取得了类似的进展,让我们给天文带来了新的认识。每一个电磁波谱的打开,都会为我们带来前所未有的发现。天文学家们同样期望引力波也是如此。

引力波有两个非常重要而且比较独特的性质。第一:不需要任何的物质存在于引力波源周围。这时就不会有电磁辐射产生。第二:引力波能够几乎不受阻挡的穿过行进途中的天体。然而,比如,来自于遥远恒星的光会被星际介质所遮挡,引力波能够不受阻碍的穿过。这两个特征允许引力波携带有更多的之前从未被观测过的天文现象信息。

社会影响

2017年12月,入选“汉语盘点2017”活动年度候选字词五大候选国际词。

参考资料

[1] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo
Collaboration) (2016). #34;Observation of Gravitational Waves from a
Binary Black Hole Merger#34;. Physical Review Letters 116 (6).
[引用日期:2019-08-08][2] 人类再次直接探测到引力波,这意味着什么?
腾讯 [引用日期:2016-06-16]

易得科技2020 02 11