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引力波是电磁波吗

来源:鬼大爷(www.guidaye.com) 作者:鬼大爷 发表时间:2017-03-11

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。

引力波是电磁波吗==

引力波是电磁波吗 

引力波是什么

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。

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。

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 。

2016年6月16日凌晨,LIGO合作组宣布:2015年12月26日03:38:53 (UTC),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。   (鬼大爷www.guidaye.com)

引力波的探测历史

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。

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(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。

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。

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(升级版的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。

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。     

引力波是不是电磁波 

什么是“引力波”

在讲引力波之前,我们先说说大家更为熟知的电磁波。

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。

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。

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

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。

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(时空扭曲),铁球越重(天体质量越大),凹陷就会越厉害(时空扭曲越严重)。

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?

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”。

但是,爱因斯坦当时这个想法并没有得到广泛认可和证实。

“引力波”有什么用

首先明确一点,它不能吃,嗯。

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。

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!

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!

3我们怎么探测到它

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……

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!

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)

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。

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BGM……4我们为啥这么鸡冻

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??

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。

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。

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?

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!

大错特错!

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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文章标题:引力波是电磁波吗
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