不负责任的说说引力波

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一个不会写科普的作家称不上一个好科幻作家        ٩(- ̮̮̃-̃)۶,最近引力波这么火当然要蹭蹭热点。

刚上大一的时候,美国科学家就宣布通过“激光干涉仪引力波探测器“LIGO ”(画重点)观测到了引力波。早在100年前,爱因斯坦就在他的广义相对论中预言过引力波的存在(不愧是学物理的祖师爷),但直到2015年美国的LIGO才探测到它的存在。

100年间引力波都只是理论上存在的东西,而美国却敢以每年几亿甚至几十亿的钱,去投资建设LIGO(有大国风范和担当),事实证明他们成功了,并且获得了今年的诺贝尔物理学奖(这必定是物理学史上浓墨重彩的一笔)。之后各国都开始他们的引力波探测项目,包括由中山大学带头,国家20年投资120亿的天琴计划(听说拿百万年薪来聘请带头人໒(✪₩✪)७)。

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                  此处膜拜祖师爷

首先来认识一下什么是引力波,引力波是时空曲率的扰动以波的形式在时空中传播,即引力波是时空的涟漪,从源处以光速传播。这是我在百度百科上找的对引力波的定义,看得懂看不懂都没关系,下面我会慢慢介绍。

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如果把宇宙比喻成一个巨大的湖面,而引力波就是我们投下一块石头后所引起的水波。物质会使时空弯曲,那么物质运动后所引起的空间的涟漪就是引力波。

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左面是牛顿绝对时空观下的宇宙,右面是爱因斯坦的广义相对论下的宇宙

在牛顿的绝对时空观的观点下,假如太阳突然消失,地球就会像运动员手中的铅球一样,被瞬间甩出(做离心运动),因为引力波的速度同光速相同(光速大小不方便打出,可以上网百度),在爱因斯坦的观点下,假如太阳突然消失,地球会在原轨道下继续运动几分钟(太阳到地球的距离除以光速),然后才被甩出。

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而太阳对地球的引力作用,如同一只看不见得手,拉着地球转圈圈。

为什么一百年之后,人类才观测到引力波的存在呢?不如先来看看LIGO观测到的引力波是怎么来的。

2016年2月11日美国科学家宣布,人类首次直接探测到引力波 ,它是由宇宙深处距离地球13亿光年之外双黑洞系统的合并而产生的。这两个黑洞合并前的质量分别相当于36个与29个太阳质量,合并后的总质量是62个太阳质量,而相当于3个太阳质量的能量在合并过程中以引力波的形式释放。

除此之双中子星并合、黑洞-中子星并合。都可以产生可能观测到的引力波(注意是可能观测)。

举个例子:如果你在洞庭湖的东面扔下一块石头,你可能在洞庭湖的西面看到石头激起的涟漪吗?同样的道理,在宇宙这个巨大的“湖面”上,如果想观测到距离地球几亿光年(光年是距离单位同米一样,光年是光行走一年的距离)的引力波,就需要在空间中产生巨大能量的涟漪,也就是引力波。之前cctv公布的引力波,就是由两颗距离地球约1.3亿光年的中子星并合产生的。

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两个黑洞合并所引起的巨大空间涟漪,也就是引力波

引力波又是怎么观测到的?在此之前先来看一看人类第一次观测到引力波的装置LIGO,LIGO是由两个干涉仪组成,每一个都带有两个4千米长的臂并组成L型,它们分别位于相距3000千米的美国南海岸Livingston和美国西北海岸Hanford(如果想要详细了解可以自己去百度百科上面看)。

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                              LIGO

当有引力波经过地球时物体的形状会发生略微改变。

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来自一个灵魂画家ꉂ(ˊᗜˋ*)

当有引力波经过时物体的形状会发生改变(为了直观我用了夸张的手法,真实情况下变化极其小)。此时物体的空间大小,距离都会发生改变,之后物体就会复原。

而LIGO最神奇的地方就是它那两个4千米长的手臂(4千米对于观测引力波还是太短,但考虑到成本科学家另有办法),LIGO的两个手臂中各有一束激光,激光在4km臂中反射了400次(引力波对物质的形状变化非常小,为了扩大精读,缩小成本,就让激光在臂中反复传播)。

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当有引力波经过时,LIGO的两个臂长会发生变化,之后再复原

原本在两个“手臂”中同时传播的激光,在引力波经过时臂长发生改变,此时两束激光走过的距离发生改变(反复传播400次扩大了路程的差异),此时这两列波出现光程差,在装置中间的装置中,让这两列波发生干涉,产生干涉条纹(光的波动性),通过计算,再比较两个LIGO探测引力波的时间差,与理论做比较,就能观测到引力波。因为人家太专业,而我太菜,我也是翻阅了资料,猜出来的原理(≖ᴗ≖๑)。

总之LIGO的原理就是迈克尔逊干涉仪的原理,不知道迈克尔逊干涉也没关系,如果想让两列波发生干涉,就要有光程差,想要有光程差就要让这两列波走过的路程不同,想让他们走过的路程不同,就要有引力波干扰空间,让LIGO的臂长发生变化。

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通过发射卫星,激光在两个卫星传播,可以降低成本提高精确度。

已经说完了引力波是怎么来的,以及怎么观测的,还有引力波的应用(比如星际移民,时空旅行),以及引力波怎么让空间扭曲的都还没有说,如果想听请听下回分解。

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