引力波是什么和電磁波有沒(méi)有關(guān)系
引力波是什么和電磁波有沒(méi)有關(guān)系
引力波是一種存在于理論當(dāng)中的場(chǎng)的概念，其類(lèi)似于電磁波。下面是小編分享的引力波是不是電磁波 ，一起來(lái)看看吧。
引力波是不是電磁波
什么是“引力波”
在講引力波之前，我們先說(shuō)說(shuō)大家更為熟知的電磁波。
100 多年前人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了電磁波，后來(lái)我們擁有了微波爐、手機(jī)信號(hào)、WIFI和GPS定位系統(tǒng)。
和電磁波類(lèi)似，就萬(wàn)有引力的認(rèn)識(shí)，愛(ài)因斯坦這個(gè)科學(xué)巨人認(rèn)為牛頓之前的理解太naive，在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論中，認(rèn)為萬(wàn)有引力是一種跟電磁波一樣的波動(dòng)，稱(chēng)為引力波。
牛頓啊，你還是too young too simple，sometimes naive!
如果無(wú)法想象理解我們換個(gè)說(shuō)法。愛(ài)因斯坦認(rèn)為引力是由于時(shí)空的扭曲產(chǎn)生的。
就像是一個(gè)鐵球放在一塊平鋪的毯子上。球放上去，毯子中間會(huì)凹陷進(jìn)去(時(shí)空扭曲)，鐵球越重(天體質(zhì)量越大)，凹陷就會(huì)越厲害(時(shí)空扭曲越嚴(yán)重)。
而如果這個(gè)鐵球是運(yùn)動(dòng)的，“凹陷”這個(gè)狀態(tài)便會(huì)向周?chē)鷤鞑ラ_(kāi)去，就像是平靜的水池里丟進(jìn)了一顆小石頭。那么，如果有兩個(gè)這樣的鐵球相互“旋轉(zhuǎn)，跳躍，我閉著眼”呢?
就像上圖所示，那種凹陷的狀態(tài)會(huì)以波的形式向外傳遞開(kāi)去。起伏，震顫，波浪……你可以用各種各樣的詞形容你在上圖看到的“時(shí)空擾動(dòng)”。這種變化以波的形式向外傳播，用聽(tīng)起來(lái)很厲害的說(shuō)法講，就是“引力波”，換文藝點(diǎn)的說(shuō)法講，就是“時(shí)空的漣漪”。
但是，愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)這個(gè)想法并沒(méi)有得到廣泛認(rèn)可和證實(shí)。
“引力波”有什么用
首先明確一點(diǎn)，它不能吃，嗯。
然后，由于引力波與物質(zhì)的相互作用非常弱，在傳播途徑中基本不會(huì)像電磁波那樣容易發(fā)生衰減或散射，這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息，例如宇宙誕生時(shí)形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無(wú)衰減地傳播，這為直接觀測(cè)大爆炸提供了僅有的可能。
我們可以通過(guò)引力波，去窺探宇宙最深處、最原始的奧秘了，甚至是看到宇宙的源頭!
當(dāng)然，還有很重要的一點(diǎn)就是：證明愛(ài)因斯坦老爺子的猜想是對(duì)的!
3我們?cè)趺刺綔y(cè)到它
引力波非常難以測(cè)量，因?yàn)楫?dāng)他們到達(dá)地球的時(shí)候已經(jīng)變得非常非常非常弱了……
但是，這沒(méi)有難倒智慧勇敢的地球人!地球人發(fā)明了激光干涉測(cè)量的方法!
簡(jiǎn)單地說(shuō)通過(guò)測(cè)量?jī)蓷l激光束相遇的時(shí)候所形成的干涉圖樣的變化來(lái)探測(cè)引力波。這些圖樣依賴(lài)于激光束的傳播距離，當(dāng)引力波穿過(guò)時(shí)會(huì)引起激光束的傳播距離微小變化，通過(guò)干涉圖樣的變化便可以看出來(lái)了。(嗯，如果你本科做過(guò)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)……你懂的)
這種稱(chēng)之為激光干涉計(jì)的探測(cè)器的靈敏度，是與激光傳播的距離成比例的?，F(xiàn)在世界上有LIGO和GEO 600這兩個(gè)工具，用來(lái)測(cè)量引力波即時(shí)空結(jié)構(gòu)中的波動(dòng)。因?yàn)樘綔y(cè)器需要尋找的是很微弱的信號(hào)，所以需要 LIGO 和 GEO 的尺寸相當(dāng)大。
而宣布探測(cè)到引力波的那個(gè)家伙有多大呢?橫豎都是4km，你們感受一下。
位于華盛頓州漢福德的一臺(tái)LIGO。另一臺(tái)LIGO在美國(guó)路易斯安那州的列文斯頓。圖片來(lái)源：i2u2.org
但是即使是這樣大的尺寸還顯得很捉急，它每年能遇見(jiàn)的引力波事件大概在萬(wàn)分之一件到一件之間，你看這花了幾十年才探測(cè)到一次。此生為了遇見(jiàn)你，愿花光我平生所有運(yùn)氣，這大概就是這群科學(xué)家們的最佳BGM……4我們?yōu)樯哆@么雞凍
美國(guó)LIGO的科學(xué)家說(shuō)：“所有信號(hào)都與愛(ài)因斯坦100年前所做的預(yù)言完全吻合”。愛(ài)因斯坦，你真的不是上一個(gè)宇宙文明發(fā)配到地球指點(diǎn)迷津的??
在電磁波被發(fā)現(xiàn)100多年以后的今天，引力波被找到了。它是唯一可以在高維時(shí)空中傳遞的波，引力波可以給我們提供我們宇宙幾乎無(wú)阻擋的圖景，而這個(gè)幾乎是無(wú)法利用我們熟知的電磁波來(lái)達(dá)到的。比如，利用引力波，我們可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒開(kāi)始的宇宙形成過(guò)程。
可以想象，在《星際穿越》電影中的結(jié)尾之時(shí)，主人公庫(kù)珀身處一個(gè)5維時(shí)空的超體方體中，為了將從黑洞中心所提取出來(lái)的信息傳遞給身處4維時(shí)空的女兒墨菲，人為的制造引力波效應(yīng)，成功將信息傳遞，從而人類(lèi)得以解救。說(shuō)不定在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我們也可以依靠引力波來(lái)判斷多重宇宙的存在與否。
或者和科幻小說(shuō)《三體》中描述的那樣，引力波被人類(lèi)用于星際通訊領(lǐng)域，小說(shuō)里的幻想會(huì)變成現(xiàn)實(shí)嗎?
也許你要說(shuō)，哎，都是科學(xué)界的事兒，跟偶們好像沒(méi)什么影響哦!
大錯(cuò)特錯(cuò)!
連兩個(gè)黑洞都玩著玩著就在一起了，然后產(chǎn)生引力波發(fā)射到地球。這算不算有史以來(lái)，在情人節(jié)前夕對(duì)單身狗最猛烈的一次沖擊?!
引力波的介紹
各種各樣的引力波探測(cè)器正在建造或者運(yùn)行當(dāng)中，比如 advanced LIGO(aLIGO)從2015年9月份開(kāi)始運(yùn)行觀測(cè)。
可能的引力波探測(cè)源包括致密雙星系統(tǒng)(白矮星，中子星和黑洞)。在2016年2月11日，LIGO科學(xué)合作組織和Virgo合作團(tuán)隊(duì)宣布他們已經(jīng)利用高級(jí)LIGO探測(cè)器，已經(jīng)首次探測(cè)到了來(lái)自于雙黑洞合并的引力波信號(hào) 。
2016年6月16日凌晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53 (UTC)，位于美國(guó)漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺(tái)引力波探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到了一個(gè)引力波信號(hào);這是繼 LIGO 2015年9月14日探測(cè)到首個(gè)引力波信號(hào)之后，人類(lèi)探測(cè)到的第二個(gè)引力波信號(hào)。
在物理學(xué)中，引力波是指時(shí)空彎曲中的漣漪，通過(guò)波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年 ，愛(ài)因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對(duì)論洛倫茲不變性的結(jié)果，因?yàn)樗肓艘肓讼嗷プ饔玫膫鞑ニ俣扔邢薜母拍?。相比之下，引力波不能夠存在于牛頓的經(jīng)典引力理論當(dāng)中，因?yàn)榕ｎD的經(jīng)典理論假設(shè)物質(zhì)的相互作用傳播是速度無(wú)限的。
引力波的探測(cè)歷史
在過(guò)去的六十年里，有許多物理學(xué)家和天文學(xué)家為證明引力波的存在做出了無(wú)數(shù)努力。其中最著名的要數(shù)引力波存在的間接實(shí)驗(yàn)證據(jù)——脈沖雙星 PSR1913+16。1974年，美國(guó)麻省大學(xué)的物理學(xué)家家泰勒(Joseph Taylor)教授和他的學(xué)生赫爾斯(Russell Hulse)利用美國(guó)的308米射電望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了由兩顆質(zhì)量大致與太陽(yáng)相當(dāng)?shù)闹凶有墙M成的相互旋繞的雙星系統(tǒng)。由于兩顆中子星的其中一顆是脈沖星，利用它的精確的周期性射電脈沖信號(hào)，我們可以無(wú)比精準(zhǔn)地知道兩顆致密星體在繞其質(zhì)心公轉(zhuǎn)時(shí)他們軌道的半長(zhǎng)軸以及周期。根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)兩個(gè)致密星體近距離彼此繞旋時(shí)，該體系會(huì)產(chǎn)生引力輻射。輻射出的引力波帶走能量，所以系統(tǒng)總能量會(huì)越來(lái)越少，軌道半徑和周期也會(huì)變短。
泰勒和他的同行在之后的30年時(shí)間里面對(duì)PSR1913+16做了持續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果精確地按廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的那樣：周期變化率為每年減少76.5微秒，半長(zhǎng)軸每年縮短3.5米。廣義相對(duì)論甚至還可以預(yù)言這個(gè)雙星系統(tǒng)將在3億年后合并。這是人類(lèi)第一次得到引力波存在的間接證據(jù)，是對(duì)廣義相對(duì)論引力理論的一項(xiàng)重要驗(yàn)證。泰勒和赫爾斯因此榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。到目前為止，類(lèi)似的雙中子星系統(tǒng)只已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了將近10個(gè)。但是此次發(fā)布會(huì)中的雙黑洞系統(tǒng)卻從來(lái)沒(méi)被發(fā)現(xiàn)過(guò)，是首次。
在實(shí)驗(yàn)方面，第一個(gè)對(duì)直接探測(cè)引力波作偉大嘗試的人是韋伯(Joseph Weber)。早在上個(gè)世紀(jì)50年代，他第一個(gè)充滿遠(yuǎn)見(jiàn)地認(rèn)識(shí)到，探測(cè)引力波并不是沒(méi)有可能。從1957年到1959年，韋伯全身心投入在引力波探測(cè)方案的設(shè)計(jì)中。最終，韋伯選擇了一根長(zhǎng)2米，直徑0.5米，重約1噸的圓柱形鋁棒，其側(cè)面指向引力波到來(lái)的方向。該類(lèi)型探測(cè)器，被業(yè)內(nèi)稱(chēng)為共振棒探測(cè)器：當(dāng)引力波到來(lái)時(shí)，會(huì)交錯(cuò)擠壓和拉伸鋁棒兩端，當(dāng)引力波頻率和鋁棒設(shè)計(jì)頻率一致時(shí)，鋁棒會(huì)發(fā)生共振。貼在鋁棒表面的晶片會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)。共振棒探測(cè)器有很明顯的局限性，比如它的共振頻率是確定的，雖然我們可以通過(guò)改變共振棒的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整共振頻率。但是對(duì)于同一個(gè)探測(cè)器，只能探測(cè)其對(duì)應(yīng)頻率的引力波信號(hào)，如果引力波信號(hào)的頻率不一致，那該探測(cè)器就無(wú)能為力。此外，共振棒探測(cè)器還有一個(gè)嚴(yán)重的局限性：引力波會(huì)產(chǎn)生時(shí)空畸變，探測(cè)器做的越長(zhǎng)，引力波在該長(zhǎng)度上的作用產(chǎn)生的變化量越大。韋伯的共振幫探測(cè)器只有2米，強(qiáng)度為1E-21的引力波在這個(gè)長(zhǎng)度上的應(yīng)變量(2E-21米)實(shí)在太小，對(duì)上世紀(jì)五六十年代的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，探測(cè)如此之小的長(zhǎng)度變化是幾乎不可能的。雖然共振棒探測(cè)器沒(méi)能最后找到引力波，但是韋伯開(kāi)創(chuàng)了引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先河，在他之后，很多年輕且富有才華的物理學(xué)家投身于引力波實(shí)驗(yàn)科學(xué)中。
在韋伯設(shè)計(jì)建造共振棒的同時(shí)期，有部分物理學(xué)家認(rèn)識(shí)到了共振棒的局限性，然后就有了前面提到的有基于邁克爾遜干涉儀原理的引力波激光干涉儀探測(cè)方案。它是由麻省理工學(xué)院的韋斯(Rainer Weiss)以及馬里布休斯實(shí)驗(yàn)室的佛瓦德(Robert Forward)在70年代建成。到了70年代后期，這些干涉儀已經(jīng)成為共振棒探測(cè)器的重要替代者。激光干涉儀對(duì)于共振棒的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)：首先，激光干涉儀可以探測(cè)一定頻率范圍的引力波信號(hào);其次，激光干涉儀的臂長(zhǎng)可以做的很長(zhǎng)，比如地面引力波干涉儀的臂長(zhǎng)一般在千米的量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)共振棒。
除過(guò)我們剛剛提到的aLIGO, 還有眾多的其他引力波天文臺(tái)。位于意大利比薩附近，臂長(zhǎng)為 3千米的VIRGO;德國(guó)漢諾威臂長(zhǎng)為600米的GEO;日本東京國(guó)家天文臺(tái)臂長(zhǎng)為300米的TAMA300。這些探測(cè)器曾在2002年至2011年期間共同進(jìn)行觀測(cè)，但并未探測(cè)到引力波。所以之后這些探測(cè)器就進(jìn)行了重大升級(jí)，兩個(gè)高新LIGO(升級(jí)版的LIGO)探測(cè)器于2015年開(kāi)始作為靈敏度大幅提升的高新探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)中的先行者進(jìn)行觀測(cè)，而高新VIRGO(升級(jí)后的VIRGO)也將于2016年年底開(kāi)始運(yùn)行。日本的項(xiàng)目TAMA300進(jìn)行了全面升級(jí)，將臂長(zhǎng)增加到了3公里，改名為叫KAGRA，預(yù)計(jì)2018年運(yùn)行。
因?yàn)樵诘孛嫔虾苋菀资艿礁蓴_，所以物理學(xué)家們也在向太空進(jìn)軍。歐洲的空間引力波項(xiàng)目eLISA(演化激光干涉空間天線)。eLISA將由三個(gè)相同的探測(cè)器構(gòu)成為一個(gè)邊長(zhǎng)為五百萬(wàn)公里的等邊三角形，同樣使用激光干涉法來(lái)探測(cè)引力波。此項(xiàng)目已經(jīng)歐洲空間局通過(guò)批準(zhǔn)，正式立項(xiàng)，目前處于設(shè)計(jì)階段，計(jì)劃于2034年發(fā)射運(yùn)行。作為先導(dǎo)項(xiàng)目，兩顆測(cè)試衛(wèi)星已經(jīng)于2015年12月3日發(fā)射成功，目前正在調(diào)試之中。中國(guó)的科研人員，在積極參與目前的國(guó)際合作之外之外，也在籌建自己的引力波探測(cè)項(xiàng)目。
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