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引力波

在物理学上,引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,如同石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。通常引力波的产生非常困难,地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进,发出的引力波功率仅为200瓦,还不如家用电饭煲功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波,但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远,传播到地球时变得非常微弱。美国当地时间2016年2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分),美国国家科学基金会(NSF)宣布人类首次直接探测到了引力波。

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引力波也称重力波,引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递的一种方式,是这些波从星体或星系中辐射出来的现象。电荷被加速时会发出电磁辐射,同样有质量的物体被加速时就会发出引力辐射,这是广义相对论的一项重要预言。引力波与流体力学中的重力波很相似,当液体表面或内部液团由于密度差异离开原来位置,在

“引力波”,听名字给人一种曼妙舞动的韵律之美,爱因斯坦在广义相对论中曾描述:“引力波以光速迅速扩散,充满整个宇宙。”引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动,这些振动就是引力波。这些波动,可以想象为将一块石子投入水中所掀起的涟漪,因此人们也为引力波赋以一个好听的名字“时空涟漪”。

引力波一直是爱因斯坦提出来的虚无之物,没有人见过,没有人能证明,没有人能检测到。就连爱因斯坦本人也想象不到,能通过怎样的方法探测到引力波,以至于他本人直到逝世前都还在怀疑黑洞的存在。

探测历史

1974年物理学家约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Alan Hulse)发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星,他们发现该脉冲星处于双星系统中,其伴星也是一颗中子星。根据广义相对论,该双星系统会以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减少3.5米,预计大约经过3亿年后发生合并。

引力波引力波

1974年,泰勒和赫尔斯和对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测,观测值和广义相对论预言的数值符合得非常好,这间接证明了引力波的存在。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

上世纪60年代,

引力波天文学将是继传统电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后,人类认识宇宙的全新窗口,必将引发一场天文学的革命。

引力波探测除了能够检验广义相对论之外,还有助于证明其它版本的引力理论正确与否,还将推动引力量子化的研究,最终把引力融入其它三种基本相互作用,完成爱因斯坦的伟大梦想。

引力波像其它的波一样,携带着能量和信息。电磁波(宇宙背景微波辐射)只能让我们看到大爆炸38万年之后的景象,而引力波能够让我们回望宇宙大爆炸最初瞬间,检验宇宙大爆炸理论的正确与否。

探测盘点

首次

美国当地时间2016年211日上午1030分(北京时间2112330分),

2017年8月17日,美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到这次的中子星引力波信号。LIGO有两个探测器,分别建在相距3000公里的路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市。

有意思的是,由于噪声污染,LIGO软件系统起初并没有在利文斯顿探测器的数据中检测到信号。幸运的是,探测器获得的数据足够清晰,促使软件随后快速确认这是一个引力波信号,并命名为GW170817。

仅仅在LIGO观测到引力波信号后的1.7秒,美国费米太空望远镜探测到名为GRB170817A的伽马射线暴。“费米太空望远镜几乎在同一时间观测到伽马射线暴,让我们更加兴奋,也更有紧迫感。”加州理工学院LIGO数据分析小组负责人艾伦·温斯坦教授回忆说。

LIGO和费米太空望远镜在遇到强信号时,会自动向天文界发送警报。这是一场与时间的赛跑,世界范围内的望远镜后续观测随即启动。大约11个小时后,位于智利的斯沃普望远镜率先观测到此次信号的光学对应物——位于名为NGC4993星系的双中子星系统。

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。

这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件,标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。

我国探测工程

中大启动中国引力波探测工程

2016212日,广州

如何通俗易懂地解释下什么是引力波?

@安静的hacker

假如有引力波向你扑面而来,你会看到你前方的空间在上下或左右方向上时而被拉伸,时而被压缩的效果;当引力波迎面通过你,你会不断发生拉伸和压缩,你会先变高变瘦,再变矮变胖,再变高变瘦,再变矮变胖,它能帮我们洞悉整个宇宙的源头。

@物理大叔:

引力波常被比做石头丢进水中产生的波纹,如同宇宙中的“时空涟漪”。如果将时空看成一张大橡胶膜,用小球代替天体,当小球被放上橡胶膜时,球的质量会把橡胶膜往下压。这时,如果在旁边再放一颗球,两颗球分别造成的“时空弯曲”就会让它们逐渐滚向对方。当它们互相加速运动时,产生的“涟漪”就是引力波。

@胖子豆豆:

再有人说我胖,就这么回答:物体质量越大,它周围的时空扭曲得越厉害,我胖是因为你质量太大,我不幸做了你的时空。

引力波是如何产生的?

@普吉:

超大质量黑洞合并,脉冲星自转、超新星爆发等都是引力波的强有力来源。

@谢顿:

这次探测到的引力波被证明是13亿年前两个巨大的黑洞猛烈撞击并融合所产生的。

@中国科学院张新民&蔡一夫:

宇宙的早期暴涨以后有一个弱电相变的阶段,在这一阶段,也会发生宇宙尺度的引力波,这个引力波的幅度很大,比暴涨阶段产生的原初引力波要容易被探测到。

发现引力波意味着什么?

@英国理论物理学家斯蒂芬?霍金:

引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。(人类)探测到引力波的这种能力,很有可能引发天文学革命。

@徐明徽:

引力波探测的成功,将帮助我们验证1916年爱因斯坦提出的广义相对论,这意味着时空是可以扭曲的。

@多米:

是不是意味着高中物理课本又要厚了?

@魏因施泰:

对于科学家来说,我们需要把眼睛睁得更大,引力波将让我们看到更多未曾想象的世界。

引力波能让时空穿越成真吗?

@杨庆海:

主导LIGO探测引力波研究的基普?索恩,在他的科普着作《星际穿越》,中讲述了人类在观测引力波时意外发现了虫洞的设定。在《星际穿越》上映的时候,索恩预计人类会在10年之内首次实现对引力波的观测。现在,我们比索恩的估算提早了3年。

@杏川:

20158月底荣获雨果奖(科幻文学界的诺贝尔奖)的科幻小说《三体》中,人类用来和三体星人抗衡的武器,就是引力波发射装置。引力波在刘慈欣的小说中,能够成为通信工具的原因,是它可以轻易地穿透物体,并且不会发生任何衰变。

@守则:

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。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。

中国的“天琴计划”还有必要进行吗?

@LIGO成员陈雁北:

“天琴计划”主要在空间中测量引力波。地面和空间探测引力波是不同波段,探测到的源不同,学到的知识也不同,好比用不同波段的光来探测天文一样,不同波段是不同现象,观测到的是不同的东西,本身没有矛盾。

@李淼:

引力波的研究对测量地球矿藏及水资源分布等有非常重要的科学意义,此外还能极大地推动激光物理和航天技术等发展。

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