引力波

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概念:


在物理学中,引力波指时空曲率中以波的形式从射源向外传播的扰动,这种波会以引力辐射的形式传递能量。阿尔伯特·爱因斯坦根据广义相对论,于1916年预言了引力波的存在。理论上可以被探测到的引力波射源包括由白矮星、中子星或黑洞组成的联星系统。

引力波现象是广义相对论的局域洛伦兹共变性的结果之一,因为它限制了相互作用的传播速度。

成果:

科学家已通过各种间接方法发现了引力辐射的证据。

例如,拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现赫尔斯-泰勒脉冲双星在互相公转时逐渐靠近,这为引力辐射的存在提供了证据;两人因这项发现于1993年获得了诺贝尔物理学奖。


科学家也利用引力波探测器来观测引力波现象,如简称LIGO的激光干涉引力波天文台。2014年3月17日,哈佛-史密松天体物理中心的天文学家宣布利用BICEP2探测器在宇宙微波背景中观测到引力波的效应,但在后来的分析验证中发现无法排除星际尘埃的可能。若后续实验能确切得到引力波效应的成果,将成为宇宙暴胀和大爆炸理论的强烈证据。

2016年2月11日,LIGO团队于华盛顿举行的一场记者会上共同宣布人类对于引力波的首个直接探测结果。所探测到的引力波来源于双黑洞融合


为什么找到引力波如此重要?

根据爱因斯坦的广义相对论,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,其作用的形式就是引力波。虽然引力波无处不在,但是非常微弱,只有像超新星爆发、中子星与黑洞等天体相撞,才会产生足够强烈的引力波。

从1919年科学家观测到的水星近日点进动和日全食时星光在太阳引力场的弯曲,到后来的星系谱线红移,广义相对论得到了三次有力的证明。但是这三大证明,都是验证了时空扭曲的现象。如果能够捕捉到时空在引力波作用下发生扭曲的瞬间,将是对广义相对论最严格的证明。

1969年,美国马里兰大学约瑟夫•韦伯(Joseph Weber)发表论文,报告他们建立在马里兰校园和相距千里的阿贡国家实验室的铝棒引力波检测器同时接收到来自银河中心的不排除为引力波的信号。消息传来,震动了物理学界。

此后意大利、澳大利亚、美国,包括中国的科学家都相继建造了类似的铝棒探测器,有的采取了更复杂的减震、低温、真空等措施排除干扰,但是这些探测器都没有得到令人信服的证据。

作为爱因斯坦广义相对论中最重要但一直未被证实的预言,引力波是物理学王冠上最耀眼的一颗明珠,如果探测成功,将是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。

激光干涉引力波天文台( LIGO,Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory),是美国1995年开始建设的。他们希望通过观测引力波对激光光束的改变,寻找引力波的踪迹。这一计划由麻省理工学院和加州理工学院共同主持,全球有近800名科学家参与了这一计划。

LIGO利用激光干涉探测引力波的原理,是将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束,然后两束激光分别被4公里外的反射镜反射回来并发生干涉。理想的情况下,回来的两束光应该是相同的,但是如果有引力波出现,就会对这4公里的时空发生改变,导致两束激光的细微差别,在干涉条纹上就会出现显示出来。


研究引力波有啥用?

基础研究的成果可能需要50年到100年才能应用到老百姓的生活中,但如果不去研究,科学是无法进步的。

“广义相对论刚提出来的时候,谁也不知道它有什么用,但现在日常生活中,它的运用非常广泛,最直接的例子就是导航。根据广义相对论,地面和卫星所处高度的时间流逝是不一样的,如果没有把这个误差计入,那么我们就会被导航到离目的地很远的另一个地方。再比如,互联网是为了解决欧洲大型粒子对撞机分享数据时的传输问题,才被科学家们发明出来的,并不直接出自应用领域。”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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